Mexe-500汞氙灯光源Mercury-Xenon Light Source

主要应用

此系列氙灯光源广泛应用于光解水产氢、光化学催化降解、二氧化碳制甲醇、光化学合成、光降解污染物、水污染处理、生物光照，光学检测、太阳能电池研究、荧光材料测试（透射、反射、吸收）、材料形变、各类模拟日光可见光加速实验和紫外波段加速实验等研究领域。

1、光致变色

光致变色现象是指一个化合物（A），在收到一定波长的光照射时，可进行特定的化学反应或物理效应，获得产物（B），由于结构的改变导致其（可见部分的）吸收光谱发生明显的变化,。而在另一波长的光照射或热的作用下，产物（B）又能恢复到原来的形式。如下式所示：

2、光催化

光催化的原理是利用光来激发二氧化钛等化合物半导体，利用它们产生的电子和空穴来参加氧化—还原反应。当能量大于或等于能隙的光照射到半导体纳米粒子上时，其价带中的电子将被激发跃迁到导带，在价带上留下相对稳定的空穴，从而形成电子—空穴对。由于纳米材料中存在大量的缺陷和悬键，这些缺陷和悬键能俘获电子或空穴并阻止电子和空穴的重新复合。这些被俘获的电子和空穴分别扩散到微粒的表面，从而产生了强烈的氧化还原势。

3、光催化分解水(photocatalyticwater splitting)

光解水，可见光催化裂解水制氢：纳米催化结构及反应机制的研究进展 

利用TiO2吸收太阳能把水分解为氢气和氧气，光分解水制氢。

图1.Fujishima-Honda效应

 光分解水制氢的原理

光分解水制氢在热力学上是Gibbs自由能增大的过程：

又被称为人工光合作用。

光分解水制氢的本质是半导体材料的光电效应。当入射光的能量大于等于半导体的能带时，光能被吸收，价带电子跃迁到导带，产生光生电子和空穴。电子和空穴迁移到材料表面，与水发生氧化还原反应，产生氧气和氢气（图2）。

光分解水制氢主要包括3个过程（图3），即光吸收、光生电荷迁移和表面氧化还原反应。

(i)光吸收。对太阳光谱的吸收范围取决于半导体材料的能带大小:Bandgap(eV)=1240/λ(nm)，即带隙越小吸收范围越宽。对于光催化制氢催化材料来说，还要求导带的位置高于H­+/H2(0V vs. NHE)，价带位置低于O2/H2O(1.23V vs. NHE)，理论上要求能带大小不小于1.23 eV。

(ii)光生电荷迁移。材料的晶体结构、结晶度、颗粒大小等因素对光生电荷的分离和迁移有重要影响。缺陷会成为光生电荷的捕获和复合中心，结晶度越好，缺陷越少，催化活性越高。颗粒越小，光生电荷的迁移路径越短，复合几率越小。

(iii)表面氧化还原反应。表面反应活性位点和比表面积的大小对这一过程有重要影响。通常会选用Pt、Au等贵金属纳米粒子或NiO和RuO2等氧化物纳米粒子负载在催化剂表面作为表面反应活性位点，只要负载少量此类助催化材料就能大大提高催化剂的制氢效率。

光催化制氢效率表征的两种方式

目前研究光催化剂的制氢效率主要通过两种方式表征，及光催化分解水(photocatalyticwater splitting) 和光电化学分解水(photoelectrochemical watersplitting)。

光催化分解水是将粉体催化剂分散在水中（图4）。这种方法的优点是可以大规模应用，有氢气和氧气难以分离的问题。为此又发明了两步法（图5），即采用两种催化剂，分别产生氢气和氧气，并通过一种氧化还原电对将这两种催化剂联系起来。这种方法不仅避免了氢气和氧气的分离问题，降低了催化剂能带位置的要求，催化剂的选择面更宽，也带来了与氧化还原电对的逆反应问题。一步法将水直接分解为氢气和氧气对催化剂的要求较高，往往加入牺牲剂来获得氢气或氧气。牺牲剂的作用是消耗光生空穴或电子，比如甲醇、乙醇、乙二醇、乳酸等是常用的制氢牺牲剂，而AgNO3是常用的制氧牺牲剂。

光催化分解水装置

粉体催化剂分散在水溶液中制氢，需通过收集反应产生的气体量来评价催化剂的催化性能。目前常用的装置如图6所示，包括反应器、气体取样部、气密循环系统以及抽真空装置，气体取样部与气象色谱相连，可以实时在线检测气体的产生量。光源为高压汞灯（紫外光为主）或氙灯（可见光为主），通过附加滤光片或滤光溶液得到所需波段的光源。由于气体的特殊性，对装置的气密性要求较高，操作过程中通过转动特殊设计的阀门来控制。

图6.光催化分解水实验装置示意图[1]

4、光电化学分解水(photoelectrochemicalwater splitting)

光电催化太阳能分解水、光电化学(PEC)裂解水制氢系统

光电化学水分解电池，是通过半导体电极吸收太阳光产生光生载流子，而后通过载流子在体相或外电路的迁移，从而与水发生氧化或者还原反应。光电化学水分解电池能够将太阳能转化氢能进行存储，不受太阳光时间、空间分布不均的影响。

光电化学水分解电池的器件结构有多种组成方式，例如通过光伏电池与光电极串联，可以获得较高的太阳能转化效率，但结构成本也相对较高；而通过p型光阴极和n型光阳极组成的叠层结构，不仅拥有较高的理论转化效率(约28%) ，成本相对较低，是理想的器件结构。

光电化学分解水是将催化剂制成电极，与对电极通过导线相连，通常还会加一个偏压（图6）。若半导体材料为n型，则在催化剂电极处产生氧气，对电极处产生氢气；若半导体材料为p型，则

图6.光电化学分解水系统示意图

其他应用

▪ 光催化（Photocatalyst）
▪ 化学分析（Chemical analysis）
▪ 检查照明（Inspection lighting）
▪ 对光反应变色（Photochromism）
▪ 光谱学（Spectroscopy）
▪ 紫外线消毒（UV light disinfection）
▪ 人工光合作用（Artificial photosynthesis）
▪ 荧光显微测定（Fluorescent observation）
▪ 光能疗法（Photodynamic therapy）