3分钟学会“STH能量转化效率”的测量！

众所周知，当太阳-氢（Solar to Hydrogen，STH）达到5~10%的情况下，光催化分解水制氢才具有经济可行性^[1]。目前，在光催化分解水制氢研究中，最主要的活性评价参数是归一化的光催化产氢速率（μmol·h^-1·g^-1或mmol·h^-1·g^-1）、量子产率（AQY）和STH能量转化效率。然而，归一化的光催化产氢速率受入射光波长范围、入射光强度、反应器类型、反应温度等因素影响，导致不同实验室之间的数据结果无法在统一标准下比较^[2]。因此，评估催化剂的光催化水分解制氢最主要的两项指标是AQY和STH能量转化效率。关于AQY，已在“量子产率（AQY）计算保姆教程，你值得拥有！”一文中详细阐述。STH能量转化效率是输入太阳能转化为氢能的效率，是衡量光催化剂分解水的实际应用标准^[3]。

1、光催化分解水的STH

在光催化分解水反应中的STH能量转化效率计算公式如下^[2]：

R_H₂：光催化分解水制氢速率（mmol·s^-1）;∆G_r：分解水反应的摩尔吉布斯自由能（J·mol^-1）;P_sun：AM 1.5G标准太阳光谱的光功率密度（100 mW·cm^-2）;S：光照面积（cm²）。分解水反应标准摩尔吉布斯自由能：公式(1-1)可简化为^[4]：

理论上，STH能量转化效率也可以通过对所有波长的量子效率进行积分来计算，公式如下^[5]：

λ_I：AM 1.5G标准太阳光谱起始波长；λF：AM 1.5G标准太阳光谱终止波长；QE：标准条件下的量子效率。

2、光电催化分解水的STH

在光电催化分解水反应中的STH能量转化效率计算公式如下^[6]：

J_sc：短路光电流密度（mA·cm^-2）；E：水的热力学分解电位（V）;η_F：法拉第效率；P_sun：AM1.5G标准太阳光谱的光功率密度（100 mW·cm^-2）。同样，水的标准热力学分解电位：公式(2-1)可简化为^[6]：

在使用上述公式时，需注意如下几点^[2]：

1. STH能量转化效率的计算只针对H₂:O₂摩尔比为2:1的全分解水反应，对于空穴牺牲剂存在的制氢半反应并不成立。因为空穴牺牲剂也会参与反应，∆G_r和E值会有变化；

2. 不同温度、压力下的∆G_r和E值不同，需根据实际反应温度、压力予以矫正；

3. 光源的光谱必须符合AM 1.5G标准太阳光谱，且光功率密度为100 mW·cm^-2。

由以上公式可知，精确测量光催化/光电催化STH能量转化效率的两个必要条件分别是：① 光催化分解水制氢速率的精确测量；② AM 1.5G标准太阳光谱。关于光催化分解水制氢速率的精确测量，反应系统应注意以下干扰因素：1. 避免离线手动进样造成的测量误差；2. 避免H₂和O₂在短时间内混合不均匀。

3、如何获取AM 1.5G标准太阳光谱

关于AM 1.5G标准太阳光谱的获取，常见的方式有2种：①直接使用太阳光模拟器；②氙灯光源配合AM 1.5G滤光片，见图1。

图1. (a)太阳光模拟器和氙灯配合AM 1.5G滤光片实物图，(b)AM 1.5G标准太阳光谱和Microsolar 300型氙灯配合AM 1.5G滤光片光谱图

4、经典案例

清华大学朱永法老师和中科院理化所张铁锐研究员课题组使用北京泊菲莱PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯作为光催化全分解水实验的光源，通过北京泊菲莱Labsolar-6A 系统对H₂和O₂含量进行在线分析，并进行光催化分解水反应STH能量转化效率的测量。相关成果已发表在Nano Energy^[7]。

图2. 经典案例—光催化分解水STH的测量

北京理工大学张加涛老师课题组通过该方案使用PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯作为光电催化分解水实验的光源，通过Labsolar-6A系统对H₂含量进行在线分析，并进行光电催化分解水反应STH能量转化效率的测量。相关成果已发表在Advanced Energy Materials^[8]。

图3. 经典案例—光电催化分解水STH的测量

参考文献✦

[1] Matthew R. Shaner, Nathan S. Lewis*, Eric W. McFarland*, et. al., A comparative technoeconomic analysis of renewable hydrogen production using solar energy[J]. Energy Environmental Science, 2016, 9, 2354.[2] Wang Zheng, Li Can, Kazunari Domen*, Recent developments in heterogeneous photocatalysts for solar-driven overall water splitting[J]. Chemical. Society. Reviews, 2019, 48, 2109.[3] Li Rengui, Li Can*, Photocatalytic water splitting on semiconductor-based photocatalysts[J]. Advances in Catalysis, 2017, 60, 1.[4] Li Yiyang, Wang Zihan, Tsang Shik Chi Edman* et. al., Local magnetic spin mismatch promoting photocatalytic overall water splitting with exceptional solar-to-hydrogen efficiency[J]. Energy Environmental Science, 2022. DOI: 10.1039/d1ee02222a[5] Qureshi Muhammad, Takanabe Kazuhiro *, Insights on measuring and reporting heterogeneous photocatalysis: efficiency definitions and setup examples[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29, 158.[6] Chen Zhebo, Deutsch Todd G., Jaramillo Thomas F.* et. al., Accelerating materials development for photoelectrochemical hydrogen production: Standards for methods, definitions, and reporting protocols[J]. Journal of Materials Research, 2010, 25, 3.[7] Chen Xianjie, Zhu Yongfa*, Zhang Tierui* et. al., Three-dimensional porous g-C₃H₄ for highly efficient photocatalytic overall water splitting [J]. Nano Energy, 2019, 59, 644.[8] Wang Hongzhi, Guo Yuying, Zhang Jiatao* et. al., Efficient plasmonic Au/CdSe nanodumbbell for photoelectrochemical hydrogen generation beyond visible region[J]. Advanced Energy Materials, 2019, 9, 1803889.

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北京泊菲莱科技有限公司创立于2006年，是集研发、生产、销售、服务于一体的国家级高新技术企业，致力于开发智能化、高精度、高性能的高科技设备企业。泊菲莱科技拥有多种自主知识产权，现已应用于新能源、药物合成、精细化工等各类科研领域，在立足于国内市场的同时，多款产品也远销海外。泊菲莱科技荣获国家级高新技术企业、中关村高新技术企业、2020年北京市第一批“专精特新”企业等称号，先后获得ISO9001质量体系认证、GB/T27922-2011《商品售后服务评价体系》五星级标准企业等资质。
     泊菲莱科技不仅拥有雄厚的研发实力，也一直秉持着“以客户为中心”的服务理念和“创见、实干、卓越”的企业精神，作为科技型高新企业，积极创导各类光源的尖端科技，不断革新，不断挑战，以卓越创新的进取精神，推动自身的不断成长和壮大。

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