【摘要】 本文深入探讨光催化分解水制氢技术，分析超声增强产氢效率的机制，解析CdS基催化剂与rGO负载材料的性能，讨论反应动力学与失活原因，为光催化反应器设计提供参考。

利用太阳能光催化分解水制氢是一项极具前景的可再生能源技术。氢燃料燃烧后仅生成水，实现零污染排放，彻底摆脱化石燃料燃烧产生的二氧化碳、一氧化碳等污染物。然而，该技术要实现规模化应用，仍面临两大核心挑战：一是开发高活性、高稳定性的光催化剂，二是设计可高效捕获太阳辐射的光反应器系统。

 

光催化剂研究进展与反应机理

目前文献中广泛报道的光催化剂多以硫化物和氧化物为主。近年来，还原氧化石墨烯（rGO）负载的硫化镉（CdS）基催化剂表现出显著潜力，成为当前研究的热点。该类催化剂在可见光范围内具有良好的光响应特性，可有效提升光催化产氢效率。

值得注意的是，光催化反应机理与动力学研究仍相对缺乏。在使用CdS催化剂并搭配硫化钠或亚硫酸钠作为牺牲剂时，氢气生成速率常随时间逐渐下降直至为零，其主要原因被证实为催化剂失活。已有研究提出限速步骤为界面反应，与阳极反应密切相关，测得整体活化能为2.52 kcal/mol。

Sebastian等人系统提出了硫化物/亚硫酸盐体系光催化制氢的反应路径，包括：

  • 第一步：光子吸收；

  • 第二步：催化剂表面反应；

  • 第三步：液相中的传质与反应。

进一步动力学研究表明，反应速率与CdS表面吸附的硫离子密切相关，而氢气本身可能导致催化剂可逆失活，因此提出了包含失活机制的幂律型动力学表达式。

 

超声波协同增强光催化产氢的机制

近年来，超声波与光催化结合的协同效应受到广泛关注。多项研究显示，超声波可显著提升光催化反应体系的效率，不仅在污染物降解方面，也在水解制氢中表现出促进作用。

图1超声波光催化反应器示意图

Gentili等指出，电磁波（光）与机械波（超声）的联合作用可强化质量传递，从而提高产氢速率。Hisashi与少林等的研究表明，超声波自身也可引起水的分解，发生如下反应：2H₂O → H₂ + H₂O₂。Chakna等提出，超声波空化效应瞬间崩溃产生的高能微泡可生成·OH自由基，而Hilgenfeldt与Ashokkumar进一步证实，瞬态空化能在极小时空尺度内产生高度集中的能量，并伴随发光现象。

然而，也有不同声音，如Chakma团队发现超声波可能对光催化染料氧化产生不利影响，因空化冲击波导致染料分子从催化剂表面解吸。

 

超声强化CdS光催化产氢的实验研究

为明确超声波对光催化分解水产氢的增强机制，本研究采用rGO负载的CdS催化剂，在硫化钠和亚硫酸钠作为牺牲剂的条件下，对比了有无超声波辅助时的产氢性能。

实验结果表明，引入超声波后，氢气产量显著提高。其原因可归结为超声波提供的机械能有效克服液体表面张力，加速氢气气泡从催化剂表面脱离，减少气泡覆盖导致的活性位点屏蔽和催化剂可逆失活。此外，超声还可缓解因氢气解吸速率下降所引起的反应抑制问题。

这一发现为光催化反应器设计提供了重要方向：结合超声辅助手段，可有效维持催化剂活性，提升产氢速率与长效稳定性。

 

总结与展望

光催化分解水产氢技术虽仍面临催化剂失活、反应器效率低等挑战，但通过超声波等外场强化手段，可显著优化反应过程，提高氢能产出效率。未来研究应侧重于超声-光催化耦合系统的规模化应用，以及多元催化剂与反应机制的深度探索。

 

参考文献：1.Arvind Singh, A.S.K. Sinha, Intensification of photocatalytic decomposition of water by ultrasound, Journal of Energy Chemistry, Volume 27, Issue 4, 2018, Pages 1183-1188, ISSN 2095-4956, https://doi.org/10.1016/j.jechem.2017.08.001.

 

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