氧化钨纳米材料光解水制氢

氧化钨纳米材料光解水制氢

WO₃纳米材料具有无毒、无害、容易制备、性能稳定、价格低廉以及优良的可见光响应等优点，是一种较为理想的光电化学反应体系光阳极半导体材料，在光电化学领域（光解水，光降解有机污染物及太阳能电池）得到了广泛的应用。

1972年，Fujishima和Honda首次报道在光照条件下，采用TiO₂半导体电极所组成的光电化学池将水分解为氢气和氧气，继此许多科研工作者对其他氧化物半导体在光解水制氢方面进行了大量的研究工作。

在标准状态下若要把1mol H₂O分解为氢气和氧气需要273kJ的能量，即至少需2.46eV的能量才可将水分子分解为氢气和氧气。通常的电解水反应所需的理论电压相对于标准氢电极电势为1.23V，因此如果采用半导体材料对水进行光催化分解反应，理论上材料的禁带宽度必须大于1.23eV. 在实际的电解水反应过程中，由于过电位的存在及电极极化等其他因素造成的能量损失，最适合的半导体禁带宽度为2.0~2.2eV. 由于存在较高的过电位，光解水反应的氧化半反应相对更难发生，阻碍了反应析氧反应的进行，从而制约着光解水效率的提高。

根据材料结构的不同，WO3的禁带宽度为2.5~2.8eV，是一种良好的光解水催化材料。研究发现，在pH=0的条件下，WO₃导带底部的电极电势为+0.4V，高于水分解还原半反应的电极电势，因而不能用于析氧反应，但由于其价带空穴具有很强的氧化能力，可用于光催化分解水产氧。

1976年以色列科学家Hobes首次将WO₃用于光解水制氢体系，此后众多的科研工作者对进行了广泛的研究与应用。相对于TiO₂光催化剂，目前WO₃的光转化效率较低。但WO₃具有先天的优势，如禁带宽度低，无需进行修饰或敏化即具有良好的可见光响应，从而能利用到更多的太阳光。此外，在实际光催化分解水反应体系中，WO₃在长时间光照下能够保持优良的抗光腐蚀性和光生电子传输性能，因此是一种理想的光分解水催化剂。