15、二维材料在水还原装置中作为光电极的能源应用

二维材料在水还原装置中作为光电极的能源应用

1. 能源背景与需求

随着能源需求的迅速增长，以及化石燃料对环境的影响，寻找可再生清洁能源的替代来源变得至关重要。自1972年Fujishima和Honda发现用TiO₂和SrTiO₃进行光催化水分解以来，基于半导体的光电化学系统成为将太阳能转化为氢燃料的有前景的方法。与传统化石燃料相比，氢气作为主要能源具有诸多优势，如储量丰富、能大幅减少碳排放和污染物排放、能量密度高，且易于储存和运输。

然而，目前该技术仍面临诸多挑战，主要包括：
- 能量转换效率低
- 光生电子 - 空穴对复合率高
- 长期稳定性差

2. 光催化水分解的基本机制

水可被视为具有等效带隙ΔE₀ = 1.23 V的准半导体材料，这是一分子水转化为氧气和氢气的自由能交换（ΔG = 237.2 kJ/mol）。该反应可分为两个半反应：
- 析氧反应（OER）：2H₂O + 2h⁺ → O₂ + 4H⁺
- 析氢反应（HER）：4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂

在理想情况下，带隙大于1.23 eV，且导带（CB）边缘和价带（VB）边缘跨越水的电化学势的半导体，可驱动整体水分解。但考虑到动力学过电位，光电解所需的能量约为1.6 - 1.8 eV。

3. 光电化学电池的设计原则

光电化学（PEC）电池可看作是一种特殊的太阳能电池，它将太阳能转化为化学能而非电能。其设计原则与传统太阳能电池相似，主要包括效率、成本和稳定性。为实现高效太阳能制氢，PEC电池需满足以下要求：
|要求|具体内容|
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