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光催化——太阳能的新型利用

煤、石油、天然气等燃料的使用所引发的的温室效应、空气污染等环境问题越来越成为不容忽视的社会问题,而燃料的不可再生性也意味着这种能源利用方式的不可持续性。在这样的背景下,寻找和利用清洁、安全、可再生的新能源成为了亟待研究人员解决的问题。

太阳能以其广泛存在、且对人类社会而言几乎取之不尽的特性一直吸引着人们的兴趣。实际上,太阳能的利用方式是历史悠久的,也是多种多样的。比如,在田野里,我们可以通过植物的种植,将太阳能转化为生物质能,储存在食物中;在家里,我们可以利用太阳能热水器将太阳能转化为热能,储存在热水中;在太阳能电站,光伏电池阵列则可以帮助我们将太阳能转化为电能,供给千家万户、各行各业的使用。除上面列举的太阳能利用方式之外,近年来将太阳能转化为化学能,即光催化反应的研究成为了研究人员的新宠。

太阳能转化为化学能,也即光催化反应的过程,简而言之,就是利用太阳能,在光催化剂的辅助下,推动化学反应发生的过程。在这个过程中,光催化材料吸收太阳能,在内部产生具有氧化还原能力的电子和空穴对,这些电子和空穴对反应体系中的物质进行还原或者氧化,生成对应的产物或产生相应的效果,完成化学能的生成和储存。

光催化反应已经或者有潜力在多种场合发挥作用。目前而言主要有两个方面:即环境净化和太阳燃料的合成。环境净化通过光催化反应,可以将空气或者水中的污染物分解为简单、无害的无机物等,也可以通过光催化反应,破坏细菌细胞壁的结构,从而达到水体杀菌的效果;在太阳燃料合成方面,可以利用光激发的电子和空穴对,将水和二氧化碳合称为简单的有机物,如甲醇等,即人工光合作用,另一方面可以利用光催化材料中光激发产生的电子和空穴对,对水中的质子和氧负离子进行还原和氧化,生成氢气和氧气,也就是光催化分解水反应。由于氢气具有高热值,清洁,且可以用作多种化学工业的原料,因此这种利用方式堪称最理想的太阳能转化学能方式。
来源:中国科普博览

 
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