光解水制氫

氫氣被認為是一種理想的能源，但是，如果用加熱或電分解的方法把氫氣提取出來，其過程消耗的能量比氫能本身產生的能量還要多，成本非常高，這就得不償失了。因此，使用方便又廉價的方法製備氫能，成為科研工作者夢寐以求的願望。使用太陽能光電化學或者光催化分解水制氫是最具吸引力的可再生能源制氫途徑，而利用半導體氧化物作為光催化劑直接使用太陽光分解水產生氫氣，被成為“21世紀夢的技術”。

光解水制氫技術始自1972年，由日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授首次報告發現二氧化鈦單晶電極光催化分解水從而產生氫氣這一現象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開闢了利用太陽能光解水制氫的研究道路。隨著電極電解水向半導體光催化分解水制氫的多相光催化(Heterogeneous Photocatalysis)的演變和二氧化鈦以外的光催化劑的相繼發現，興起了以光催化方法分解水制氫（簡稱光解水）的研究，並在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進展。

1976年，Hodes首次將WO3應用于光解水制氫體系中，之後，人們便對WO3光解水體系展開了廣泛的研究。隨著製備技術的不斷提升和對WO3的不斷深入研究，人們發現納米結構的WO3具有更佳的光催化能力，也因此進行了大量的研究。Cristino等利用陽極氧化金屬W片製備出了WO3光陽極，其表現出的光電化學性能，優良的電荷傳輸動力學特性，具有較高的產氫率。

納米半導體材料引起了廣泛的關注，其主要原因可能是：

1. 納米半導體採用與塊狀材料相比具有更高的比表面積，可以有效提高轉換率；

2. 納米半導體材料能量轉換高，應用潛力巨大。

基於納米半導體材料的陽極材料體系很多，例如硫化鎘（CdS）、氧化鎢（WO3）、氧化鐵（Fe2O3）等等。

三氧化鎢的禁帶寬度較低，表現出良好的可見光回應，能利用更多的太陽光，具有優良的抗光腐蝕性和光生電子傳輸性能；然而，由於三氧化鎢導帶底的電極電勢為+0.4V，正于水分解還原半反應H2/H2O的電極電勢，在熱力學上不能用於光解水制氫，可用于光解水制氧。科學表明，施加偏壓有助於光生電子注入到水分子中，故通常在WO3光解水體系中施加適當的偏壓來進行光解水制氫。

杜俊平等採用固相燒結法製備了摻雜不同量鈰（Ce）的WO3催化材料，實驗結果表明，Ce摻雜可以使三氧化鎢的光譜響應範圍向可見光區拓展；另外，鈰沒有引發新的螢光現象，適當鈰的摻雜能夠增強三氧化鎢光催化劑的螢光強度。Ce的微量摻雜通過增加氧缺位的量進而誘使Ce/ WO3光催化劑產生更多的•OH和•O2，從而大大提升光催化活性。

WO3光催化劑的禁帶寬度相對於二氧化鈦較低，並且具有良好的可見光回應，能夠利用更多的太陽能；此外，在實際光催化分解水反應體系中，WO3在長時間光照下能夠保持優良的抗光腐蝕性和光生電子傳輸性能。因此，WO3被認為是一種理想的光解水催化劑，在太陽能光解水制氫領域中有重要的應用前景。