%ac换效率及量子产率的实验测定与计算

太阳能

第２７卷第１１期

２００６年１１月

太阳能学报

ＡＣｒＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳｏＩ．ＡＲＩｓＳＩＮＩ（Ａ

、，０１．２７．Ｎｏ．１１

ＮＤｖ．，２００６

太阳能光催化分解水制氢体系能量转换效率及

量子产率的实验测定与计算

张耀君１’２，郭烈锦１，延

卫１，赵

亮１，杨鸿辉１，李明涛１，许云波１

（１．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安７１００４９；

２．西安建筑科技大学材料学院，西安７１０Ｑ５５）

摘要：对太阳能光催化分解水制氢体系的阈值能、太阳能转换效率以及太阳能转化成可储存的化学能效率进行了阐述；建立了一种利用已知量子产率的化学光量计测定光子数绝对值的实验方法，并使用该方法对太阳能光催化分解水制氢体系的能量转换效率及产氢的量子产率进行了计算。

关键词：能量转换效率；量子产率；光催化分解水制氢体系中图分类号：’１１（５１１．４

文献标识码：Ａ

０前言

迫于能源匮乏以及化石能源利用造成的环境污染带来的巨大压力，国际能源署及美国能源部正在　积极部署从烃经济向氢经济转变的未来能源战略【ｌ。］。所以国际上有关太阳能光催化分解水制氢的研究正处于十分活跃的发展时期，但存在的主要问题之一是太阳能的能量转换效率及Ｈ２的量子产率的计算缺乏较规范的标准，计算方法不统一，文献的结果之间很难进行横向比较。此外，许多文献缺少能量转换效率的研究报道。本文参考国际能源署、美国能源部的有关资料及相关学者的研究成

果［１“］，结合本实验室的工作［９“０｜，提出了利用已知量子产率的化学光量计测定模拟光源光子数绝对值的实验方法，并给出了太阳能光催化分解水制氢体系的能量转换效率及产Ｈ２的量子产率计算公式。

１实验测定方法

１．１药品及仪器

实验所用药品及试剂均为分析纯，样品的光子数绝对值测定是在Ｕ４１００型紫外．可见近红外分光光度计（日本Ｈｍ～ｃｍ公司）上完成。

光源为３００ｗ的准直高压汞灯（常州玉宇电器件有限公司），其物理参数如表１所示。

ｌａｍｐ

表ｌ高压汞灯的物理参数

７ｎ龇１

Ｐｈｙｓ砌ｐａｒ锄ｅ蚰ｏｆｌｌｉ咖ｐｒｅ咖ｒｅ啪Ｉ℃ｕｒｙ

１．２基本原理

将一定浓度的Ｋ３［Ｆｅ（Ｃ２０４）。］水溶液放人比色皿中，该溶液吸收一定波长的光之后，Ｆｅ３＋被还原为

Ｆｅ２＋。

收（￡一＝１．１１×１伊Ｌ Ｉ谳。１ ｃｍ＿１），用分光光度计进

行定量分析。波长不同，每个光子反应生成Ｆ孑＋的

量子产率亦不同，２５４～４３６啪时，量子产率平均

１．２。当Ａ＞４３６砌，则量子产率按１．１１计算。

１．３化学光量计测定光子数绝对值的实验方法

将硫酸铁铵和草酸钾溶液以摩尔比为１：２配制成３００—ＩｌＬ（％）的溶液加入到光反应器中（图１），用

［Ｆｅ（Ｃ２０４），］３一』与［Ｆｅ（Ｑ０４）２］２一＋２Ｃ０２还原生成的Ｆｅ２＋加入１，ｌｏ一书Ｂ菲罗啉显色剂后，形

成红色的络合物溶液，在波长为５１０砌处有最大吸

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（Ｎｏ．２００５嗍４）；

收稿日期：２０ｃ１５瑚．３０

国家重点基础（９ｒ７３）研究发展项目（Ｎｏ．２００３ＣＢ２１４５００）

万方数据

太阳能

太阳能学报２７卷

３００ｗ准直高压汞灯照射２０ｓ。从％中取５ｍＬ（Ｋ）溶液放人５０—ｌｌＬ（屹）棕色容量瓶中，加入１０－ＩｌＬ邻菲罗啉溶液，再加入１０ｍＬ缓冲溶液，稀释至５０ｍＬ后放置于暗处３０ｒＩｌｉｎ，每次取３个平行样，用分光光度

计在波长５１０姗处测定其吸光度Ａ．。再取不同样

品改变照射时间，重复上述实验步骤。最后取未照射的硫酸铁铵和草酸钾混合液５ｒＩｌＬ放人另一５０－ＩｌＬ（Ｋ）棕色容量瓶中，加入１０ｎ１Ｌ邻菲罗啉溶液，再加入１０ＩＩｌＬ缓冲溶液，稀释至５０ｍＬ后放置于暗处３０ＩＩｌｉｎ。每次取３个平行样，用分光光度计在波长

５１０姗处测定其吸光度值Ａ。。

１．准直高压汞灯；２．内循环水夹套；３．Ｋ３【Ｆｅ（Ｃ２０４）３】溶液；４．搅拌磁子；５．循环水入口；６．循环水出口；７．外循环夹套；８．夕｝套管上包覆铝薄；９．夕ｈ电路

图１光量子数绝对值测试装置

Ｆｉｇ．１

Ａ珥捌呲璐ｆ撕ｄｅ惦加血硪临ａｂｓｏｌｍｅ

Ｖａｌｕｅ０ｆｐ｝Ｉａｔｏ璐

２太阳能能量转化效率及相关概念和理论

２．１太阳能光催化分解水制氢体系分类

太阳能光解水制氢体系大致可分为光化学体系、半导体体系、光生物体系、复杂体系４种类型。

此外，Ｂｏｌ咖等提出了太阳能光解水制氢的单光体

系（Ｓｉｎ出ｐｈ岬ｔ鲫）及双光体系（Ｄｕａｌｐｈｏｔｏｓ弘一

ｔ伽）ｎ］。单光体系的定义是在单一的光体系中，一

种能量的光子被吸光剂所吸收耦合成一个光转化过

程。在双光体系中，两种能量不同的光子在两种光体系中同时被吸光剂所吸收耦合成２个光转化过程。将这２种光体系用于太阳能光催化分解水制氢则有５种具体的方案…。

万方数据

Ｈ２０』与Ｈ２＋１，２０２心Ｏ—，Ｈ２＋１，２０２

矿：１．２２９ｙ∥＝１．２２９ｙ

（１）

２．２太阳能光分解水制氢体系的阈值能或带隙能

与任何转化过程一样，太阳能光催化产氢的能量转化效率是十分重要的。但其理论效率是由转化过程的属性所决定。太阳能光催化过程受到带隙能所限制。所有太阳能光催化过程都涉及到吸光剂的电子从一种基态到一种激发态的激发过程。吸光剂可以是一种分子也可以是一种半导体。吸光剂的特点是有一个确定的阈值能（Ｄ曲ｎｉｔｅ，１１ｌ瑚ｈｏｌｄ或带隙能（Ｂ锄ｄ脚脚）ｕ。。

Ｅｎｅ嘟）

Ｕ。＝胁，Ａ。

（２）

式中，＾——普朗克常数；ｃ——光速；Ａ。——吸收边波长。Ａ≥Ａ。的所有太阳能光子不能被吸光剂所吸收，这部分能量在转化过程中损失掉；。Ａ≤Ａ。的所有太阳能光子能够被吸收，但是过剩的能量（ｕ一＝Ｕ—ｕ。）在吸光剂驰豫到ｕ。的能级时以热的形式损失掉。

２．３太阳能转换的极限效率

轳竽孛

㈤

式中，以——在Ａ≤Ａ。时吸光剂吸收的光通量；△弘。——激发态的化学势或吉布斯自由能；

９一——将光子转化为化学产物的量子产率（Ｑ啪－

ｔｕＩＩｌ

ｙｉｅＭ）；Ｅ。——入射太阳光的总辐照度，ｗ ｍ～。＾可通过下式计算：

小ｐ揣以

（４）

式中，Ｅ。（Ａ）——入射太阳光的波长辐照度，ｗ ｍ。２

ｍ～；ｋ，Ａ——波长为Ａ的光子能量。Ｂｏｌｔ∞认为

太阳能转换的极限效率对于单光体系约为３ｌ％，对双单光体系约为４２％。

２．４标准状态下太阳能转化成可储存的化学能的效率

通过太阳光子的驱动将部分太阳光能以反应产物如氢的化学能形式储存起来，如太阳光辐照下的光催化分解水反应，在这样一种化学反应中，太阳能转化成化学能的效率定义为：

仉＝—尹产

△诺．尺Ｈ．

（５）

式中，△镄——生成产物Ｈ２时的能量储存反应的

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