[发明专利]光催化水分解

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光催化分解水的方法，以及一种用于进行所述方法的装置。

背景技术

全球能源挑战是普遍的，转向可替代的可持续能源是不可避免的，尤其是阳光。显然的先决条件是能源应该可以用一天二十四小时。由于太阳能只可在白天获得，以适当的方式存储能量将是非常有利的。以氢的形式存储将是实现此目的非常有吸引力的方式。产氢的理想方法是使用水作为氢源与太阳能一起用于转化。因此，光催化分解水（这是光引发的水转化成氢和氧的反应）作为一种最有前景的产氢过程备受关注。

使用光催化剂的高效的水分解，一直是研究人员的巨大挑战。此外，通过使用可再生的能源形式分解水可能是环境和能源问题的最终解决方案。然而，因为热力学增加（uphill）反应的困难，很长一段时间阻碍了用于水分解的高活性光催化剂的发展。

此外，有效地利用太阳光谱的可见部分一直是个挑战。大多数单组分氧化物光催化剂需要被太阳光谱的紫外部分激活，该部分仅是总太阳光谱的小部分（约4%）。为了避免这个问题，已开发了以所谓的Z方案为基础的光催化系统，它使得能够使用太阳光谱的可见光部分。在图1中示意地显示了Z方案。

通过析氧光催化剂的可见光吸收进行Z方案，这致使氧气生成。光生电子在该析氧光催化剂的导带中的能级不够高，不能引发氢形成，并且需要与在析氢光催化剂的价带中的光生空穴再结合。在析氢光催化剂的导带中的光生电子引发氢生成。

除此之外，Kudo和合作人开发了各种可见光响应的催化剂系统用于全部水分解，基于（1）Z方案和（2）通过溶液中的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的电子转移，或通过在两个催化剂颗粒之间接触的自组装（Kudo等，Chem.Soc.Rev.2009,38,253278）。显而易见，在这两种情况下，电子转移是不适宜的，然而光生电子从析氧光催化剂的导带至析氢光催化剂的价带的转移效率需要高至达到高的总水分解效率。

此外，在专利文献已提出了用于分解水的光催化系统。WO-A-2008/102351描述了一种稍微相关的系统，适用于半导体-金属复合（hybrid）纳米组件。在WO-A-2008/102351中描述的发明中，光子被复合纳米组件的半导体区域吸收，这致使电荷分离。而一个电荷载体保持在该半导体区域，另一个转移到可发生氧化还原反应的复合纳米组件的金属/金属合金区域。然而，在这些复合纳米组件的分散中，将难以分离产生的氢和氧，并有可能再结合产生水。此外，该系统在可见光引发的水分解中将不是非常有效的。

US-A-2007/0105013描述了一种用于分离电荷相反的电荷载体的系统，基板包括半导体；与该半导体电连接的配体；共价连接的桥接导电聚合物；连接至该桥接导电聚合物的离子交换树脂；离子交换膜；以及将所述树脂连接至所述膜的电缆。该系统不利用催化剂制品的可见光活化的电势，该催化剂制品利用Z方案原理。导电聚合物充当质子交换膜将析氢室与析氧室隔开，而不是电子/空穴的导体。此外，本文中，析氢不用单独的析氢光催化剂进行。

为在光催化水分解中有效地利用可见光提供简单的设计仍然是一个挑战。本发明的一个目的是提供该挑战的解决方案。

发明内容

本发明人找到了一种优异的解决方案，通过导电隔离层隔开析氧光催化剂和析氢光催化剂。

因此，第一方面，本发明涉及一种用于光催化分解水的方法，包括：

-通过光照射用析氧光催化剂氧化水，致使在析氧光催化剂的导带中产生电子以及在析氧光催化剂的价带中产生空穴；

-通过光照射用析氢光催化剂还原水，致使在析氢光催化剂的导带中产生电子以及在析氢光催化剂的价带中产生空穴；

其中，所述析氧光催化剂与导电隔离层的第一侧接触并且所述析氢光催化剂与所述导电隔离层的第二侧接触，以及

其中，在光激发的析氧光催化剂的导带中的电子，通过电荷转移穿过所述导电隔离层，与在光激发的析氢光催化剂的价带中的空穴再结合。

本发明的方法使得电荷能够从光激发的析氧光催化剂的导带非常有效地转移至光激发的析氢光催化剂的价带，穿过相对薄的导电隔离层。由于该电荷转移非常有效，强烈抑制了在光激发的析氧光催化剂的导带中的电子与在光激发的析氧光催化剂的价带中的空穴的再结合。类似地，在光激发的析氢光催化剂的导带中的电子与在光激发的析氢光催化剂的价带中的空穴的再结合是非常有限的。这种再结合进一步被在析氧光催化剂处的析氧反应和在析氢光催化剂处的析氢反应抑制。用于激发光催化剂的光优选为可见光。