產氫端觸媒 – 溶凝膠法製備 Pt/SrTiO 3 :Rh

本實驗首先以溶凝膠法製備 SrTiO3:Rh，此觸媒為前人所測試產氫效率較佳 之觸媒，並在之後附載 0.8wt%的白金金屬於觸媒表面，此比例也是前人所測是 最佳的附載比例。並將此產氫端觸媒與產氧端觸媒置於雙反應器之兩側後，測試 在不同的電子媒介濃度下其所產氫效率的差別。

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在利用此產氫觸媒於雙胞反應器當中進行水分解，首先本研究將 10mM 濃 度的 NaIO3水溶液置於產氧端，以期藉由其氧化媒介的效果能夠協助產氧端產生 更多的氧氣，而在產氫端部分則置入 10mM 濃度的 NaI 水溶液，以期藉由其還 原媒介的效果能夠協助產氫端的效率更佳，並且在電子媒介的相互轉換下能夠達 到循環水分解產氫並氫氧分離的效果。其示意圖如 Fig. 5.7 所示。每經過兩個小 時取一點，並偵測產氧端和產氫端的氫、氧、氮量，並算出其氫對氧的比例。其 結果如 Fig. 5.8 所示。由圖可以得知在加入同樣濃度的 NaI 和 NaIO₃水溶液下，

整個水分解的反應非常有問題，整個反應當中只產生非常微量的氫氣並伴隨著大 量的氧氣產生，並且在實驗結束之後離子交換膜表面也有顏色非常深的碘的存在，

由於得出了非常少量的氫且產氫效率不佳的情形，故在查閱文獻之後[16]，得知 IO₃^-這項離子對於觸媒的吸附力非常強，而由於本實驗的雙反應器以陰離子交換 膜隔離，雖然在產氫端 IO3-扮演了很好的電子氧化媒介，使得產氧效果大增，但 是穿越交換膜到達產氫端的 IO₃^-離子則會吸附在產氫表面上並消耗掉產氫觸媒 所產生的電子，造成還原水產氫效果低落。

Fig. 5.7 The illustration of photocatalytic water splitting in the presence of 10mM I^-/IO₃^- initially.

79 Time (hr)

0 2 4 6 8 10

Amount of gas evolved (mmol/g)

0

Fig. 5.8 Photocatalytic water splitting in the presence of 10mM I-/IO3- redox mediator using twin reactor.

本研究接下來則嘗試了兩種可能的解決辦法，第一種方法為增加反應器 NaI 溶液的

80

Fig. 5.9 The illustration of photocatalytic water splitting in the presence of 5mM I -initially.

Time (hr)

0 2 4 6 8

Amount of gas evolved (mmol/g)

0 5 10 15 20

O₂ H₂

Fig. 5.10 Photocatalytic water splitting in the presence of 5mM NaI solution.

81

Table 5.2 The ratio of O₂/H₂ of the photocatalytic water splitting in the presence of 5mM NaI solution.

Time O₂/H₂

2hr 0.25

4hr 0.47

6hr 0.80

8hr 1.42

本研究接下來便測試在各種不同濃度的 NaI 水溶液情況下，試圖找出對水分解反應 最有利的電子媒介水溶液濃度，如下圖所示為在兩端各置入 15mM 的 NaI 水溶液的反應 結果，如 Fig. 5.11 所示，由圖可知，在 15mM NaI 溶液下，產氫效果相較於 5mM I-狀

態下又進一步提升，且在反應期間內其 O2/H2的比例在 4 小時和 6 小時皆接近 2，為水

分解的化學劑量比，如 Table. 5.3 所示。在一開始氧氣產量極低的原因為一開始置入的 溶液為 NaI 水溶液，且其主要扮演消耗電洞的的角色，因此其在反應初期並不會促進產

氧觸媒的效能進行產氧，然而在產氫端由於原來的 I-離子漸漸開始被氧化成 IO3-離子，

藉由離子交換膜傳遞到產氧端，這便是在之後的反應點產氧量迅速提升的原因，詳細的 反應機制示意圖請見 Fig. 5.12。

82 Time (hr)

0 2 4 6 8

Amount of gas evolved (mmol/g)

0 2 4 6 8 10 12 14

O₂ H₂

Fig. 5.11 Photocatalytic water splitting in the presence of 15mM NaI solution.

Table 5.3 The ratio of O2/H2 of the photocatalytic water splitting in the presence of 15mM NaI solution.

Time O2/H2

2hr 0.09

4hr 0.49

6hr 0.49

8hr 0.63

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Fig. 5.12 Two step watersplitting using I^-/IO₃^- as shuttle redox mediator.

最後在嘗試更高的 NaI 水溶液濃度時，實驗結果顯示出產氫量反而開始漸漸 下滑，其主要原因為過多的 I-離子在水溶液當中，使得 Pt/WO₃產氧觸媒無法作 用產氧，因此而使得整個水分解反應無法持續運作下去，其中在分別 20mM 和 25mM 濃度的 NaI 實驗結果分別如 Fig. 5.13 和 Fig. 5.14 所示，此外其 O₂/H₂的比 例也大幅降低，顯示出產氧量的效果逐漸被高濃度的 NaI 水溶液所壓抑。

Time (hr)

0 1 2 3 4 5 6

Amount of gas evolved (mmol/g)

0 2 4 6 8 10

O₂ H₂

Fig. 5.13 Photocatalytic water splitting in the presence of 20mM NaI solution.

84 Time (hr)

0 1 2 3 4 5 6

Amount of gas evolved (mmol/g)

0 1 2 3 4