（热能工程专业论文）光电化学电池TiOlt2gt基电极材料性能的实验研究.pdf

摘要 氢能被广泛认为是未来擞理想的洁净能源。太阳能分解水制氢被认为魁一 种箍具有前景的制氢方法。光电化学电池具有无翻产物、对环境安全、结构简 单、爱应产物不需婪荐分离答优势，被认为怒最有前途的太阳能制氢技术之 一。 t i 0 2 被公汲为是最遁合的光阳极材料，僵其3 + 2 e v 的祭带宽度使太阳能剥 用效率低，阻碍了光电化学电池披术的应用。通过向t i o ：中掺杂离子形成燃溶 体结构，可以改藩t i 0 2 光吸收性能，提高太阳能利用效率，推进光电化学电池 豹实用化。 本文在阐述了光电化学电池工作原理及存在的问题的鏊础上，建立了一套 完整的光电化学电池系统，并结合x r d 、t e m 、吸收光谱等测试手段，对光阳极 材料性熊进行了研究。 本文首先对纯t i 0 2 的性能进行了研究，结果袭盟：在短波隧，锐钛矿t i 0 2 具有很强的光响应，但在长波区光响应很弱：光电极t i 0 2 膜层膜厚均匀：光电 极t i 0 2 膜鼷的厚度对于光电压有缀大的影口虮 针对t i 0 2 太阳能利用效率低的阚题，本文利用溶胶凝胶法合成了弧， 。f e 。o ：和t i l h x v 。0 2 固溶体并对其性能进行了研究，通过与纯t i 0 2 电极性能遴 亍 比较，终暴发现： 在热处理湿度为5 0 0 。c 时，向t i 。2 中掺杂或v ，当数含量小予等予 3 ，v 的含量小于等于7 时，能够形成均匀的圄溶体结构，母致材料在长波 区的光吸收性能爝强，羹含萋越麓增强程度越大，蠢光电极工l 乍电压会照卷掺 杂离子含量躲增加恧隆低；当f e 食爨大于3 ，v 含量大予7 时，无法全帮 形成固溶体结构，多余的离子会极出产生毅相，这时材料可能存在p n 共存蜒 现象。 采媛9 0 0 。c 对掺絷t i 0 2 进嚣热处疆会导致t i 0 2 基痰鑫型转变光毫压惫剩下 降，热处理滠度或t i 0 2 基质照型对于可掺杂浓渡具骞一定既影赡。 关键溺t i 0 2 ；露滚髂；掺& ；掺v a b s t r a c t h y d r o g e ni sw i d e l yc o n s i d e r e dt ob et h eb e s tc l e a nf u e lo f t h ef u t u r e i ti sa ni d e a l p l a n f o rh y d r o g e ng e n e r a t i o nu s i n gs c a r e e so fs o l a re n e r g yf o rw a t e rd e c o m p o s i t i o n 。 i ti s a r g u e dt h a tp e c ( p h o t o e l e c t r o c h e m i c a lc e l l ) t e c h n o l o g yi st h em o s tp r o m i s i n g t e c h n o l o g yf o rh y d r o g e np r o d u c t i o no w i n gt o s e v e r a lr e a s o n s ：p e ct e c h n o l o g yi s e n v i r o n m e n t a l l ys a f e ，w i t hn ou n d e s i r a b l eb y p r o d u c t s ；p e ct e c h n o l o g yi sr e l a t i v e l y u n c o m p l i c a t e d ；h y d r o g e n a n d o x y g e n a r ee v o l v e d s e p a r a t e l y a tt h ec a t h o d ea n da n o d e t i c 2w a si d e n t i f i e da st h eb e s tc a n d i d a t ef o rt h ep h o t o - a n o d e h o w e v e r ，o w i n gt o i t sb a n d g a p i s3 2 e vw h i c hi st o o h i g ht h a to n l y a 怒w p a r to f t h es o l a re n e r g ye a r lb e a v a i l a b l ef o rc o n v e r s i o n ，s ot h ea p p l i c a t i o no fp e ci sl i m i t e d i tw a ss h o w nt h a tl i g h t a b s o r p t i o no ft i 0 2m a y b ee n h a n c e dt h r o u g hd o p i n gw i t hi o n sa n dp r o d u c i n gs o l i d s o l u t i o n s ，w h i c hm a y i n c r e a s et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n da d v a n c et h ea p p l i c a t i o n o f p e c i nt h et h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo ft h ep e ca n dt h ep r o b l e mo fw h i c he x i s t e dw e r e r e v i e w e d ，a n dt h e na ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fp e cw a ss e tu p t h ep e r f o r m a n c eo f a n o d em a t e r i a lw a ss t u d i e do nt h ep e cs y s t e m ，b ya n a l y z i n gt h ex r d ，t e ma n d a b s o r p t i o ns p e c t r u mo f w h i c h t h ep e r f o r m a n c eo f p u r et i c 2w a ss t u d i e df i r s t l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e o p t i c a lr e s p o n s eo f a n a t a s et i 0 2i ss t r o n gi nt h er a n g e o f s h o r tw a v e l e n g t hs p e c t r a ，b u t i sw e a ki nt h er a n g eo f l o n gw a v e l e n g t hs p e c t r a + t h e t h i c k n e s so f t h et i c 2f i l mo nt h e a n o d ei se v e n 。罩h ee f f e c to f t h et h i c k n e s so f t i c 2f i l mo nt h e p h o t o - v o l t a g e i ss t r o n g ， i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e mt h a tt i 0 2c a no n l yc o n v e r tl i t t l es o l a re n e r g y ， t i l , r e x 0 2 a n d t i l ，x v x 0 2 s o l i ds o l u t i o nw e r e p r e p a r e db ys o l g e t ，a n d t h e i r p e r f o r m a n c e w e r es t u d i e d i na d d i t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo fs o l i d s o l u t i o nw a s c o m p a r e d w i t ht h a tt i 0 2 t h er e s u l t ss h o w e d ： w h e nt h em a t e r i a lw a sh e a t e da t5 0 0 。i ft h er a t i oo ff et ot ii sn o tm o r et h a n3 p e r c e n ta n dt h er a t i oo f vt ot ii sn o tm o r et h a n7p e r c e n t t h es o i l ds o l u t i o nw a s f o r m e dt h e o p t i c a la b s o r p t i o no f m a t e d a li nt h er a n g eo f l o n gw a v e l e n g t hs p e c t r a i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ev c o n t e n t ，t h el i g h ta b s o r p t i o ni n c r e a s e d p h o t o v o l t a g ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f r a t i oo fvt ot io rf et ot i 。i ft h er a t i oo ff e t ot ii sm o r et h a n3p e r c e n to rt h er a t i oo fvt ot ii sm o r et h a n7p e r c e n t t h es o l i d s o l u t i o nc a nn o tb ef o r m e da n dn e wc r y s t a l l i z a t i o na p p e a r e d c o e x i s t e n c eo f p - t y p e a n d n t y p em a y b ef o u n da tt h i st i m e w h e nt h em a t e r i a lw a sh e a t e da t9 0 0 c ，c r y s t a lo f t i 0 2c h a n g e d ，w h i c hl e a d e dt o s h a r p d e c r e a s eo fp h o t o - v o l t a g e t h e d o p i n g r a t i om a yb ea f f e c t e d b yt h e h e a t t e m p e r a t u r eo rc r y s t a lo f t i 0 2 k e y w o r d s t i 0 2 ，s o l i ds o l u t i o n ，f e w d o p e d ，v - d o p e d l | 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获德j 艺京工业大学或其 也教弯枫麴静学位线涯蔷磊馕耀过豹材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谓 意。 签名：王邀 日期：z ，幔石 关于论文使雳授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使瘸学位论文的规定， 鄯：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅穗借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他手 段保存论文。 签名：互超 导师签名： 图 日期：0 口口手 曼! 苎曼蔓燃煳笪曼曼曼曼皇寰燃嬲鼍曼! 耋警蚕薹菡星釜釜呈茎鍪耋童警警垒耋毫曼曼曼曼燃鼎兰曼皇! 曼是曼燃燎 主要符号表 e ( h j h + ) 一氧化还原对h + h 2 能量， e v ； e 一基本电荷，1 6 0 2 1 0 。9 c ，h 岔一氯离子， 一j ； 一普朗克常量，6 ，6 2 6x 1 0 。3 4j s ， 一 ； h 一光生空穴，h ； a 一用缀，b c 一阴极，【- ； e l 瞧解液， 一】； m 一金耩，【一】； e 7 一光生电子， 一】： e 。一电予，f 一】； v 一颓率， h z 】； p e c 光电化学电池， 一 ： n h e 标准氢电极，【，】： o h 一一鬣氧根离子，h ； n a 一6 0 2 2x 1 02 3 m o l ，阿伏加德罗常数，【】； e 一能爨，【e v 】； e b 一与偏置电压有蓑的能量，eb = e v b i 。，f e v ； e 。一导带底能量，【e v ； e ，一份带顶能量，f e v e f f e r m i 能级，v ； e 。綮带宽度，【e v 最一懿叛【“】； 伊一标准吉布斯能爨( 标准自由焓) ， k j t o o l 。 e m f 一电动驱动力( 开路电压) ， v 】； e ( 2 0 0 2 ) 一氧化还嚣对0 2 雕2 0 毵量，【e v 中一功函数， e v 】： p h p h 值， u 。一阳檄过电能，【v ； 矽。一圈缀遵毫链，f v j ； u 凡一乎带毫压，【v 】； h 。一偏置电压，【v ； 、 矿8 一表溺电压( 与能带弯馥相对应) ，f v ； v h h e l m h o l t z 势垒， v 】； v p h 一光生电压， v ； 五一波长，【i n 】： 致一开鼹电压，【v 】； l q 一物质的量， m o l l - ，一光强，【w l r l 。】 x 一熬量( 穗应予亿学公式中i 讫学诗量躐) ，【】 一变化鼹，h r 一绝对温度， 】 是一渡耳兹曼誊数，1 3 8 x 1 0 。3j 毽，f v 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 霾翦，人类耀临蓉誊大鲶能深滤题。隧蓄工渡静发矮帮久类物臻生滔及精享牵 生活静提高，能深豹消耗邀与e | 儇潜。当前入类新剩用韵能源主爱束自化石潦料 煤、石油、天然气等) ，这些化石燃料都麓不可再生的能源，经过人类两个多 世纪的开采和利用，其储量已经十分有限。据世界能源组织调查显示，世界原油 可采储量1 3 8 3 g t ，天然气2 4 g t ，合计1 4 0 、7 g t ，按年产3 2 g t 计算，储采比为 4 4 ，已经顽临着桔竭。鲤莳，化石燃料的价格不断上涨，虽其燃烧时会产生二 氧化碳、二氧化碱等气体，绘环境造戏重大危害。解决未来缝源出路，转变缝源 结搀，建立霹持续发震裁源系统成为人类遣切需要解决静阉题。 为了解决能源短缺、消除化石燃举毒燃浇对环境造成的污染，许多国家都将发 袋新羹能源作为基本图案，对新型能源的开发十分重视。从2 0 煎纪8 0 年代就积 极研究可以替代化石燃料的新型无污染能源，其中包括太阳能、核能和氨能等。 其中，氢能被认为是可以取代石油、煤气和天然气的摄有前途和最有希望得到的 燃料。 氨能被普遍认为是最理想的毅世纪纛污染款绿色能源| 2 _ 5 】，主要原因如下： ( 1 ) 氮是宇塞中浆丰富黪元紊。在甲婉、举醇帮其它鑫然界存在懿碳氢化台 物中，存在太量氢，羹重要的是，求中含有氢，两承是遣球的主葭资源，邃球表 面7 0 以上披东覆盖。 ( 2 ) 氢燃烧的唯一产物蹙水，非常清洁，不会对环境产生任何污染。当然氢 气在空气中燃烧像其它燃料一样会引发副反应，产生氮氧化物，但要比石油基燃 料低8 0 。如果利用低温燃料电池，将不会产生二氧化碳和氮氧化物，没有任何 污染。 ( 3 ) 氯反应放出能量，其生成物为求，焉东又可出电解转化为氢琴瑟氧，獒有 霹秀生性。 ( 4 ) 氮能再簌热、电、太黼能等葜它能源转化得副，又可以镬方便魂转化为 电、热、动力等，县商很好的相互转化性。 ( 5 ) 氢无毒，贮存、运输方便，烃一种理想的能源载体。氢的能量密度高， 北京工业大学工掌硕士学位论文 ! 曼葛曼! i 一 i _ 1 1 1 , 寰葛蔓! 寰曼曼璺葛曼! 型! 孽 是汽油的26 8 倍( 重量) ，用金属氢化物贮氢，其体积浓度可大于液氧。与电、 热不能大规模储存不同，氯可以很容易地大规模储存。输送各类能源时，以糊同 的热爨计奠，竣氢成本最低，擐失电小。管道蝓氢在美国已鸯实铡，劳安全运行 4 0 多年，证明是可牙匏。 ( 6 ) 爨的使耀效率缓离。将氢燃烧产生热，如采沼催纯燃浇新投术，比常规 化石燃料筋熟效率高掰1 0 一 5 ；氢用予内燃梳产生动力，比汽油机效率高出 1 5 2 5 ；如通过质子交换膜燃料电池产生电，可比最新型的火力发电设备效率 高出3 0 5 0 。 ( 7 ) 氨是“和平”能源。因为它既可稃生又来源广泛，每个国家都有丰富的 “氢矿”，可以不依赖化石能源。化石能源分匆极不均匀，意攀引起激烈技争。 缘上所述，氢能是唯一可以凰时满足资源、环境黎持续发展要求靛糍深，是 其它熊添搿不缆滋拟豹。n 踅，氢煞结合光电将成为可持续能潦系统静基硝。2 0 0 2 年4 骂初，在美国首都华盛顿召开了氮能投资讨论会，来自l o 多个国家的近百 位科学界、企业界和金融投资界的专家就投资氲能展开了讨论。两个月后，更大 规模的氢能盛会第1 4 届世界氮能大会在加拿大蒙特利尔召开，近干名学者 与企业界代表们就氛能的研发与制备、贮输与应用、氢能与环境、政策、标凇， 氢能经济以及嘲际技术合作与交流等方方颟西的间题进行了交波( 6 i 。近期世界各 国在发展氢燃料交通工具上螅努力，无论是壹接剥鼹氢还是通过氨燃料邀涟，都 让我们感到氢糍时代离我稻缀返了。 然而，自然界撵游离态氢的含蓬极少，用于能源的氢必须觚各种含氢物质中 提取。迄今为止，化石燃科制氨还是工业上的主要途径，斟自i 全世界有9 9 的氢 气是由化石燃料制造的。这种方法会放出二氧化碳气体而危害环境，而且所使用 的化石燃料为一次能源，不可蒋生。用燃烧化石燃料得到的电能电解水制取氢的 方法也因为同样的问题而无法提倡使用。 利用太阳能分艇水是一静理想的制取氢的方法。太阳能是地球上噍一款“永 久拨款”积骧馀的溃洁源，是唯一连续可靠并可替交镬耀蛉能潦。承是一种取 之不尽爨照料，氢燃烧翡瞧一产穆仍| 髫是承。遽军孛方法意味着在能量无穷供给， 两虽不会产生二次污染的清况下，虢能将不可储存的能量( 光电) 转化为可储存 能鲞( 氯) ，在无环境污染而且廉价的前提下永久性地解决人类的能源问题。阂 2 第1 苹绪论 其巨大的经济效盏和社会效益，艇界各国对予可褥生能源制氯的兴趣不断高涨。 初步掌握可再生能源制取氛技术的国家可能成立t h eo p e co ft h en e a r f u t u r e 组 织，可再生能源制取氨技术的发展有希望得到政府和能源厂商的有力支持【7 j 。 到目前为止，人们所硒制的利用太阳能分解水的系统有五嵇，毂光化学系统、 半导体系绞、光生物系绞、多元缨成系统葶珏热化学系统8 硼】。其中光化学技术与 半导锩按术的结合产物半导体光电纯学毫涟因具有转讫效率高、价格低、光 髭直接转化为纯学能、反成产物不需要再分离等独特的优势，而被认为是最有前 途的制氢技术之一f ”。 然而，尽管在理论和概念上利用半导体光电化学电池分解水的盼景十分诱 人，但在实际中还有很多困难。水是一种非常稳定的化合物。如果在标准状态下 把l m o l 的水分解为氢气和氧气，就必须提供理论上使水分解的2 7 3 k j m o l 或者说 1 2 3 e v 的懿量。半导体光电化学系统光电缀应浚具存蕊个基本 乍髑： 1 ，光学佟用。要求能够最大鼹疫的暇收太阳能。 2 ，催纯作用。要求能够分解永。 所有能量小于半导体禁带宽度的光子无法被半导体吸收，当前所具有的光催 化剂大多禁带宽度很大，仅在紫外光区稳定有效。禁带宽度小、能够在可见光区 使用的光倦化剂都存在光腐蚀的现象【1 0 。而紫外光占太阳光总能谱不足5 ，这 样就使得太阳能的利用效率很低。丽旦半母体光电化学电池在工 乍的过程中，电 子秘空穴在激发分寓屠还会再复合，搜褥能量以热糍的形式损失。在光电化学电 涟结构确定瓣情况下，其中主要熬损失裁睦i 光迄极材料的褴熊决寇。困两，寻筏 帮锈备赢效稳定酌光电裰辛芎籽虢成为太粥耗分解永制氯能否裁模应甭的关键。本 论文的研究旨在探讨改进光电化学电池电极材料的性能，掇高光电化学电池太阳 能利用效率。 1 。2 阑内外研究现状 1 9 7 2 年，日本学老f u j i s h i m a 强h o n d a 在n a t u r e 杂志上发表论文，阕述了 光照条 牛下t i 0 2 光电报光电化学电洼霹以产生电流将承分解褥到氢气”“。 f u i i s h i m a 帮h o n d a 的工俸揭示了利用太粥能光电化学方法分解永制取氯( 或崭 说将太阳能直接转换为化学能) 的可能性。此后，很多学稀对此进行了研究，其 工作主要集中在提高光电化学系统的太阳能利用率和转换效率，使反应向实用性 发展。 因为t i 0 2 的禁带宽度较大 1 的程度吼对于提高光电化学电池能量 转换效率的研究取碍了熏大的研究成祭，y o n e y a m a 等设计了一个双电擞系绞，采 嗣一个n 型半导体( t i 0 2 ) 作黼鞭，个p 蘩半导体( p g a p ) 作阴极嗣。意到 现在，科学家在这的礤究仍在方蕊避弦【4 5 。 1 3 本论文的主要研究内褰 ( 1 ) 从半导体光电化学电泡分解承的原理醯；发，分析半静体电极光照祭件 下分解水必须满足的条件，菇分析反应过程中能蹙损失，得出掇高光电化学电池 分磐泰效率戆方法。 ( 2 ) 搭建光电化学电池实验系统，为衡艇材料性能提供依据。 ( 3 ) 研究光催化剂制备方法和光电极制备工艺，测量纯t i 0 2 催化剂性能参 数。 ( 4 ) 以t i 0 2 为基质，采用化学掺杂方法制各固滚体催化剂，测量供化刻性 能参数并与纯t i 0 2 催化刑参数对比，分析掺杂后材料性能的变化。 第2 章半导体光电化学电池工作原理 2 1 半导体光电化学电池反应机制 翅嚣2 - 1 掰示，典型鼢竞亳纯学渔港是崮浚没在电解液中黔一个阳极秘一 个阴极构成，反应中阳极和阴极分别有氧气鄱氢气生成，棚应的电薅转移包挺 鬣离子在电解液中移动葶鞋电孑在外电路中移动。 圈2 1 光电解光电化学电池的结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f p h o t o e l e c t r o c h e m i c a lc e l l ( p e c ) f o rw a t e rp h o t o - e l e c t r o l y s i s 半导镩光电纯学电池分镌求的澈璎基于光熊与电能的转换。这种转换出联个 浸没在电解渡中的电搬完成，其中至少有一个电檄瞧半导体制藏。在光照时，半 导体制成的光电辍吸收光能，电池将吸收的光能转换成电能，产生的电能就可以 用于承斡曦解。理论上，半导体光电化学电德中惫极憨缀合方式套三耱： 1 n 黧半静体制阳极和金满制阴极； 2 n 型半导体制阳极和p 型半导体制嬲极； 3 ，p 登半母体籁溺穰帮会属箭鞫檄。 这三张组合的光电化学电邀鲍暇理郡是糖慰懿，以下按第一秽说赐。 如图2 2 ，羯光电化学龟池对承避行光电分解涉及凡个在光电极和光电椒电 鳃滚交器隧发生的反应，包括： 1 光济导半导体材料( 阳极) 的黼有离子，：生电荷( 稚自由电予和光! l ： 空穴) 。 2 水在阳极被光生空穴氧化，产生0 ：。 3 氢离子通过电解液从阳极移动到阴极，电子通过外电路从阳极移动到阴 极。 4 ，在阴极氢离子被电子还原，产生h 2 。 图2 2 光电化学电池反廊电化学链 f i g 2 2e l e c t r o c h e m i c a lc h a i no f p e c 光诱使1 1 型半导体的固蠢离子的能量大于禁繁宽度( 繁黢能) ，瞧子从份带跃 迁到导带，使导带中充满电子，在价带中留下相应的空穴： 2 b y 一2 e 十2 h +( 2 1 ) 式中是蛰朗克鬻量； v 一光的频率； e7 光生电子； h 光生空穴： 当光子的能量 v 大于或等于禁带宽度时，反应( 2 1 ) 即可发生。光生空穴 将水分解成气态氧和氢离子： t 2 h + h 2 0 ( 1 i 则i d ) + 妄0 2 ( g a ；) + 2 h + ( 2 2 ) 这一反应发生在姻极咆解液交界嚣。在阳极处生成氧气，氢裹子邋过内电 路( 电解液) 移动到阴极。同时，电子( 一般被认为是反应( 2 - 1 ) 在阳极的生 成物) 通过外电路移动到阴极，搬氯离子还原成氢气： 2 h + + 2 e 一h 2 ( g a s ) ( 2 - 3 ) 因此，光电化学电池的总反应式司写为： o 2 h v 壬 2 0 ( 1 i 州阳) 一2 0 2 ( g 丑s ) + h 2 ( g a s ( 2 - 4 ) 然而，只有当光电板吸枝豹光予能爨大予或等予霸时，反应( 2 4 ) 才。可以发 生。其中阂能： 霸= a g 4 9 2 n a( 2 - 5 ) 其a g 4 。为反应2 4 的每摩标准焓，数毽n 2 3 7 1 4 1k j t o o l 。帆= 阿伏加德罗 常数一6 0 2 2x l o2 3 t o o l 。 这稻警予： 霸= 1 2 3 e v( 2 - 6 ) 由公式( 2 6 ) 可知，只有当电池的电动驱动力( f m 丈于或等于1 2 3v 时， 电化学分解承的反应毋可能发生。 2 2 光电化学电池电化学链的橡成( 以能带模型表承) 磐实现光电解水，对电极材料具有一定的要求。首先对金属电援柬讲，英 f e r m i 戆级e ，嚣要拨提赢至甥( h 2 攫+ ) 之上。校攘绞计力学，一葶孛物矮熬f e r m i 熊级就是电子在这秘锈矮中靛化学位，鄂霪嚣癌魄子豹电纯学势，楚与平衡过程 中电予转移遴戏出圆体鸯关的能量。掇据f e r m i 分京瀚数，在f e r m i 糍缓处，电予 占据麓级豹氕率为妻，电子占摇歪离豹哥蠢搿能级豹凡率小于去，著随链羹按攒 z 数下降。比f e r m i 能缀低得多的能级被占的几率接近1 。电子进入固体，可以瓣作 正子f e r m i 能缀处：电子献稍体中出来，平均来说可以看作始予f e r m i 能缀处。如 巢f e r m i 能级低予e ( h 2 饿+ ) ，反应( 2 3 ) 就无法发生。对于半导体电极，由于 e ( h 2 0 0 2 ) = 1 2 3 e v ，蒋考虑到在进行电化学反应时为提高反应逋度需要一定 的过魄位，戳e g2 e v 较为适宜。此外，半导体的平带瞧位魄必颂位于e ( h d h + ) 之上，否则无论使用多强的光，都不可能把f e r m l 范级提高到e ( h 2 h + ) 之上， 因为光照条件下，半导体电极能带弯曲降低，f e r m i 能级得到提高，随着光强的 增大，半导体电极f e r m i 能级会逐渐肉平带电位l 靠近，但永远不会高予平带电 位。 在图2 3 、2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 中，以真空电极电位为坐标，示意性地给出了在光 电化学电池反廪各阶段，n 型半导体光昭极和余属阴极的能带结构状况。这些图 显示了包括功函数、反应前后电极能带等与e ( h 2 h + ) 和e ( h 2 0 t 0 2 ) 棚比较的 情况，功函数m 是一个与f e h n 靖级有关的物理量，袭示电子从f e i 能缎激发到 囊空中瘊蔫黪能量。图中e ；为半导体f e i m i 裁缎，曼；为金疆勰投f e i 琳i 麓级，蚤，、 毋：分别表示半导体秘金j | 嚣鲍功黼数。 毒， ：一一一。 i 半导体 h 1 毡越p 初始状态 ( 来连接) 图2 3 来连接状态下光电化学电池各部分能级 f i g2 3e n e r g yd i a g r a mo f p e cc o m p o n e n t sb e f o rg a l v