文 献 综 述

1 前言

能源是推动世界经济发展的自然动力，步入21世纪以来，世界经济在中国快速发展的领导下持续发展，在这一过程中世界能源消耗增长了50%。据预测，以目前速度消耗，地球煤资源将在未来200年耗尽^[1]。同时我们应该注意到，目前能源结构主要为煤、石油、天然气等化石能源。而这些化石能源由于过度开发，储量已经明显下降，与此同时，这些化石能源的消耗造成每年有数以千万吨计的CO₂、SO₂、NO_x等污染物向大气排放，导致了”温室效应”、酸雨等恶性气候产生，严重破坏了生态环境。所以，节约资源、保护环境和开发新型能源是人类的必然选择。

氢气是一种高燃烧值、高效率的清洁能源，并且制备过程中所使用的能源也不相同，但是使用太阳能作为能量来源则可以使其成为真正意义上的可再生能源。1967年东京大学的Akira Fujishima教授发现紫外光照射TiO₂光电极可以使水分解成氢气和氧气^[2]，这一现象的发现使得光催化在能源再生方面有了关键性的突破，从此光催化的研究和应用得到了人们广泛的关注，而利用太阳能光催化分解水制氢则被称为”21世纪梦的技术”。

2 半导体异质结构纳米晶光催化制氢原理

2.1 系统结构及制氢机理^[3-5]

如图1所示，半导体异质结构纳米晶主要有三部分构成：参与水还原反应的PSⅠ（2H #8197; #8197;2e^-#8197;→#8197;H₂）、水氧化反应的PSⅡ（2H₂O#8197;→#8197;4H ^#8197; 4e^- O₂）以及它们之间形成的界面结构。根据PSⅠ和PSⅡ之间有无导体（Conductor，简称C），可以分为两类：PS-C-PS和PS-PS。

PSⅠ和PSⅡ在一定波长的光照下，它们的价带电子吸收光子能量而激发至导带，在价带留下空穴。PSⅠ的导带电子迁移到半导体表面被H 得到生成H₂，PSⅡ的价带空穴则捕获H₂O分子中的电子生成O₂。在PS-C-PS系统中，PSⅡ的导带电子经过导体与PSⅠ的价带空穴复合，而在PS-PS系统中PSⅡ的导带电子则是直接经过界面与PSⅠ的价带空穴复合，从而完成整个循环反应。

图1 （a）有导体及（b）无导体时的异质结构光催化系统

2.2 PS-C-PS系统