文 献 综 述

四氧化三铁掺杂磷/硫化镉复合光催化剂的制备与性能研究

1.研究背景

纵观人类进化史，能源一直以来都是人们赖以生存和发展的物质基础，尤其是在动力机的出现将人类带入工业文明以后，随着人类对生活水平要求的不断提高，工业生产效率开始大幅度地提高，对能源的需求也越来越大。能源可以分为两大类：一次能源和二次能源(如图1所示)。一次能源是指自然界中以原始形态存在着的、未经加工和转换的能量资源，又称天然能源，可进一步细分为非再生能源和再生能源。其中，非再生能源包括化石燃料、核能等，再生能源包括太阳能、风能、水能、海洋能、生物能和地热能等。二次能源是指通过加工和转换一次能源得到的能量资源，例如电能、氢能、煤气、汽油、柴油、重油和液化石油气等等。从工业发展伊始一直到高度文明的今天，绝大多数工业生产还是需要通过燃烧化石燃料这种非再生的一次能源而获得二次能源，然后加以利用。需要指出的是，化石燃料是由埋藏在地层中或海底的动植物遗体经过漫长的地质条件变化和微生物作用导致形成的一种碳氢化合物或其衍生物，主要包括煤炭、石油、天然气等，属于不可再生的资源。然而，经过统计得知，化石燃料是使用最广泛的燃料资源，合计占全球目前使用能源总量的百分之八十五以上。按照目前对化石燃料的依赖程度，自然界中经历几百万年缓慢形成的化石燃料可能在几百年内就将被人类全部消耗殆尽。早在二十世纪九十年代就有专家预估(见经济部能源委员会于1991年5月发布的台湾能源统计年报资料)，地球上石油、天然气和煤炭的蕴藏量分别只够再开采大约五十、六十和二百二十年，也就是说，全球目前应用最广泛的石油及天然气能源在二十一世纪的前半叶就将日趋枯竭，紧随其后的将是全球能源价格产生剧烈波动，甚至引发对全球经济发展的严重冲击。可以想象，如果不积极采取措施，在未来很长一段时间内，能源危机将严重制约各国的可持续发展，限制人民生活水平的提高，动摇国家安全的保障。因此，尽量降低对不可再生化石燃料资源的依赖程度，尽可能多的使用太阳能、水能、风能和生物能这类可再生能源是解决目前能源危机的重要措施。

不得不提的是，除了能源危机以外，由于化石燃料的燃烧导致的温室效应和热污染也是目前人类面临的另一重大危机。这是因为由碳氢化合物组成的化石燃料在燃烧过程中会释放大量二氧化碳，这些二氧化碳具有吸热和隔热的功能，一旦大量进入大气层就会形成一个无形的”玻璃罩”，使得太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间散发，导致地球表面变热，全球气候变暖；此外，传统工厂在燃烧化石燃料时后会不可避免地向河流、湖泊或海洋中排放热废水，从而引发热污染，破坏某地域或水域的生态平衡。为了人类发展的延续和稳定，新能源的开发迫在眉睫。待开发的新能源在性质上应是可持续利用的永久性能源，应用时应不给地球环境增加额外的负荷，成本上应不超过现用化石燃料的价格。太阳能、风能、生物能、核能、海洋能、氢能等可持续能源均为极有潜力的开发对象。其中，氢能被称为人类的终极能源，因为氢构成了宇宙质量的四分之三，是宇宙中分布最广的物质。

目前，利用太阳能分解水制氢的方法有很多，主要有太阳能发电电解水制氢、太阳能热分解水制氢、太阳能生物制氢以及太阳能光催化分解水制氢等。其中，光催化分解水制氢技术起始于一九七二年，日本东京大学的两位教授FujishimaA和Honda K首次在二氧化钛半导体单晶电极上发现了光催化分解水的产氢反应，这一发现揭示了人类利用太阳能直接分解水得到氢能源的可能性。自此，人类得以开展利用半导体的光催化作用和太阳能进行光分解水制氢的研究^[1]。美国、日本、德国、英国等多个发达国家相继投入大量的人力物力对光催化分解水产氢的新技术、新方法、新工艺等进行了探讨与研究。

2.半导体制氢气简介

1972年，东京大学学者Fujishima A和Honda K^[3]首次报道了在波长lt;415 nm的紫外光照射下利用Ti0₂作为光电极光催化分解水制氧，这一重大发现为太阳能光催化制氧开辟了研究道路。人们发现大量的半导体光催化剂可以实现光催化制氧，兴起了对光催化制备氧气的研究热潮。粉状半导体材料光催化制氧的示意图如图2所示^[2]。分散于水中的粉末状光催化剂经太阳光照射后有氧气释放，该过程可以有效地实现从太阳能向氧能的转变。太阳能属于可再生能源，取之不尽;H₂是高效清洁的能源，燃烧产物只有水，对环境不造成污染。因此，太阳能光催化分解水制氢技术有着广泛的应用前景。^[2]

3.半导体光催化制氢气的机理