Page 98 - 《精细化工》2023年第3期

·554· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

要抓手 [1-2] 。2021 年初，30 多个国家已制定氢能发 商业化应用的阶段 [6-7] 。太阳能是全球分布最广泛
[3]
展战略，宣布了 200 多个氢能项目 。而中国作为 均匀的清洁能源，利用太阳能分解水制氢可从源头
产氢第一大国明确提出绿色氢能是未来国家能源 阻断碳排放，这种绿色环保的技术将会在未来的氢
体系的重要组成部分和战略性新兴重点产业，是中 能生产中占据主力位置，是解决能源危机和改善环
国能源终端实现绿色低碳转型的重要载体和发展 境的最佳选择之一 [8-9] 。太阳能分解水制氢技术目
方向 [4-5] 。2022 年 4 月国家能源局表示，中国已累 前研究较多的主要有光催化法制氢、光热分解法制
计建成加氢站超过 250 座，占全球数量的 40%且居 氢和光电化学法制氢，其主要特点如表 1 所示
世界第一，表明中国在氢能加注方面获得了突破性 [10-14] 。其中，光催化法制氢体系简单、催化剂来源
进展。目前，制氢技术是制约氢能发展的关键，越 广泛、成本较低，可有效捕获、转换和储存太阳能，
来越多的研究将太阳能、风能与氢能等新能源发展 被认为是现阶段最具应用发展前景的太阳能制氢技
进行耦合，使氢能的经济性、技术性提升至工程及 术之一 [15-16] 。

表 1 太阳能分解水制氢技术特点比较
Table 1 Comparison of hydrogen production by solar energy water splitting technologies
技术 光催化法 光热分解法 光电化学法
原理 利用光诱导光催化剂催化分解水制氢 利用太阳能聚光器使体系达一定温 利用化学电池电极材料在光照下产
度后直接分解水制氢 生电流使水解离制氢
优点 光催化剂来源广泛，制氢系统简便，成本 原理简单，可有效利用反应器体积， 有利于电化学反应内部电荷的存储
低 制氢效率较高 及溶液中光子的转移
缺点 光生电子空穴对易复合，制氢效率较低 高能聚光器开发困难，且聚光材料 操作困难，电极材料易受强电解质所
长期稳定性差 破坏
技术水平 均仍处于实验阶段，暂未实现大规模生产应用

光催化剂是光催化分解水制氢体系的核心，其 H 2 ，空穴则氧化水产生 O 2 （图 1a） [17-18] 。然而，传
导带（CB）和价带（VB）必须适合光催化分解水 统的光催化剂中的电子可能会与空穴发生表面或体
+
制氢的氧化还原电位，CB 应低于 H /H 2 的电极电位 相复合，导致光催化反应效率降低，且存在太阳光
〔0.0 eV vs. 标准氢电极电位（SHE）〕，而 VB 则需 利用率不高等问题。若要保证光生电子与空穴的分
高于 O 2 /H 2 O 的电极电位（1.23 eV vs. SHE）。通过 离效率以及光利用率，使反应尽可能地向生成 H 2 的方
太阳光激发光催化剂 VB 上的电子并跃迁至 CB，产 向进行，寻找新型高效的光催化材料显得尤为重
生光生电子及空穴，光生电子空穴对分离并迅速转 要 [19-20] 。其中，设计制备金属有机框架（MOFs）光催
+
移至光催化剂表面，电子与 H 发生还原反应生成 化材料催化分解水制氢是近年热门研究方向之一 [21] 。

图 1 光催化分解水制氢机制（a）；MOFs 材料的结构优势（b）
Fig. 1 Hydrogen production mechanism by photocatalytic water splitting (a); Structural advantages of MOFs materials (b)

MOFs 材料是由有机配体和金属离子或团簇通 活性位点丰富等优势（图 1b） [22-23] 。MOFs 主要代
过配位键自组装形成的一种多孔晶态材料，具有类 表类型有：以 Zn、Co 等过渡金属与咪唑类有机物
半导体性质，拥有比表面积和孔隙率高、结构可调、 配位而成的 ZIF 系列、以 Fe、Cr 等过渡金属或镧系