光催化、电催化以及光电催化,刚开始做科研的人,总是习惯问他们有什么区别,哪个方向更好做,更好出文章?做过一段时间的人或许会问他们之间有什么关联,是否可以跨方向或者几个方向一起做?下面文章就光电催化做一个详细讲解,至于光催化和光电催化如果有疑问可留言,也可期待后续文章。
光电催化是光催化与电催化的结合,可将两种技术的优点体现。
与光催化相比,光电催化反应中,光电极可利用太阳光照射产生光生电子,提高反应活性和催化效率。
与电催化相比,光电催化反应大大降低了外部能量的注入,可有效减少能源消耗和环境污染。
光电催化还可以将因能带结构的失配而不适用于光催化的催化剂,在适当的外加电压条件下适用于光电催化。
光电催化反应可根据反应物质和反应类型的不同,分为光电催化分解水制氢、光电催化降解、光电催化二氧化碳还原、光电催化氮还原合成氨等等。
光电催化反应过程是在有光照射作用下的电化学过程,是因吸收光使电子处于激发状态,产生电荷传递的过程。由于半导体材料存在禁带,价带电子与导带电子之间的相互作用很弱,受到光的激发以后,半导体的价带电子进入导带,并在价带留下空穴,引发光电化学反应。
图1. 三种常见的光电催化反应池 (a)光阳极光电催化反应池;(b)光阴极光电催化反应池;(c)串联光电催化反应池
光电催化是光催化与电催化的结合,可将两种技术的优点体现。
基于半导体材料的光电催化反应池主要包含四个部分:
1. 光电极:也称工作电极,是光电催化反应池中的核心部件,由用于捕获光能量的半导体材料构成。
一般情况下,将n型半导体薄膜/导电基底称为光阳极,p型半导体薄膜/导电基底称为光阴极。
常见的光电极制备方式是将光电极半导体材料附着于氧化铟锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)等有着较低功函数的透明导电氧化物镀膜玻璃上,将光电极夹持在如图2(a)所示的电极夹具上使用。
2. 对电极:若只研究单一光阳极或光阴极时,需要引入对电极来充当另一半的半反应场所。对电极通常选用具有良好电荷传输性能和较低反 应过电势的材料,一般为Pt电极,如图2(b)所示。
3. 参比电极:为确保施加在光电极上的电位准确稳定,通常会加装参比电极,将整个光电催化反应池构建成三电极体系。参比电极可选择Ag/AgCl电极、Hg/Hg2Cl2电极或Hg/HgO电极,如图2(c)所示。
4. 适当的电解质溶液:电解质溶液在光电催化反应 反应池中起联通电路的作用,需要具有良好的离子电导率。
根据光电催化反应中光电极材料性质的不同,电解质溶液的pH值和构成电解质溶液的离子类型也不尽相同。
在选择电解质溶液时需要注意的是,要确保所选的电解质溶液不与所选用的参比电极发生反应。
电解质溶液可分为三种:
1)酸性电解质溶液:H2SO4溶液等;
2)中性电解质溶液:Na2SO4溶液、K2SO4溶液等;
3)碱性电解质溶液:NaOH溶液、KOH溶液等。
图2. (a)电极夹具;(b)Pt电极;(c)Hg/Hg2Cl2电极;(d)Ag/AgCl电极
本文素材来源:https://www.perfectlight.cn/news/detail-109.html
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