基于二氧化鈦基材料的光熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、氫能因其具有清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的化石燃料替代能源。利用太陽(yáng)能分解水制氫是一種理想的氫氣制備方法。直接太陽(yáng)能熱分解水需要很高的溫度，難以實(shí)現(xiàn)。利用熱化學(xué)循環(huán)分解水能夠有效降低溫度并且避免氫氣和氧氣的分離問(wèn)題?；诮饘傺趸锏膬刹绞綗峄瘜W(xué)循環(huán)是研究最多的循環(huán)之一，包含兩步，第一步，金屬氧化物在高溫下還原，這一步通常采用太陽(yáng)能聚光驅(qū)動(dòng)；第二步，還原后的金屬氧化物與水在相對(duì)較低的溫度下反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，同時(shí)生成的金屬氧化物用于第一

2、步，如此循環(huán)。總反應(yīng)就是水分解生成氫氣和氧氣。該循環(huán)面臨的最大問(wèn)題是金屬氧化物分解需要極高的溫度，一般的單金屬氧化物在1500℃以上。目前國(guó)際上普遍采用的方法是對(duì)金屬氧化物摻雜其他金屬離子，形成二元或多元的金屬氧化物。該方法在一定程度上降低了溫度，然而想要達(dá)到理想的氫氣產(chǎn)量，依然需要1400℃左右的高溫。
　　本課題組將光化學(xué)反應(yīng)引入熱化學(xué)循環(huán)，提出了新型光熱化學(xué)循環(huán)。在該循環(huán)中，高溫的金屬氧化物分解反應(yīng)被光化學(xué)反應(yīng)替代，在常溫下

3、即可進(jìn)行；而水分解制氫反應(yīng)仍采用熱化學(xué)的方法。這樣循環(huán)的最高溫度極大地降低了（本論文為600℃）。
　　本文首先以 TiO2作為光熱化學(xué)的循環(huán)物質(zhì)，通過(guò)一系列對(duì)比循環(huán)實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了光熱化學(xué)循環(huán)的可行性。對(duì)光照時(shí)間、加熱時(shí)間、溫度對(duì)氫氣產(chǎn)量的影響進(jìn)行了探究。然后以光反應(yīng)中光照時(shí)間為40 min，熱反應(yīng)中溫度為600℃，時(shí)間1 h為條件，做了連續(xù)五個(gè)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)TiO2具有很好的循環(huán)性能，在五個(gè)循環(huán)中氫氣產(chǎn)量比較穩(wěn)定，平均每個(gè)循環(huán)產(chǎn)生

4、的氫氣量為0.421 mL/g。通過(guò)XPS和EPR分析，建立了光熱化學(xué)循環(huán)的初步機(jī)理。對(duì)比了循環(huán)前后 TiO2的晶型和比表面積，沒(méi)有明顯的變化，這是TiO2具有良好循環(huán)性能的原因。
　　在TiO2中摻雜了0.5％的Fe，通過(guò)TEM、SEM、UV-VIS、PL等手段對(duì)摻雜了Fe的TiO2和純TiO2做了對(duì)比。通過(guò)TEM，SEM發(fā)現(xiàn)摻雜了Fe后的TiO2顆粒更加分散；通過(guò)UV-VIS對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻雜了Fe后，吸收光譜發(fā)生了紅移，并且在3