《基于层次分析法的太阳能光电催化转化模型研究》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于层次分析法的太阳能光电催化转化模型研究

范文

王溢文

摘要：本文主要针对太阳能转化为清洁可再生燃料进行了相关研究，利用太阳能诱导水分解制氢，使用层次分析法，建立层次结构模型，对决策准则进行重要性程度等级评定。首先需要进行太阳能光电催化转化模型的建立，且该模型将涉及光电催化反应制氢的效率和半导体光电催化剂的禁带宽度，是定量问题。其次寻求表征光电催化中光能转化为氢能的效率的公式，综合分析光照谱系，将公式中的量子产率约束为 1，结合公式代换和推导，将该效率公式消元转化为入射光波长的函数。最后根据能量损失取值建立极限和实际两个转化效率模型，利用 Matlab 的 Trapz（梯形数值积分）函数对 ASTM G173-03 光谱中的 Global tilt 数据进行计算，得到光能氢能转化的效率随禁带宽度变化的关系图像。

关键词：层次分析法 ?;层次结构模型; 入射光波长

引言

《关于 2019 年国民经济和社会发展计划执行情况与 2020 年国民经济和社会发展计划草案的报告》在 2020 年国民经济和社会发展计划的主要任务中提出，制定国家氢能产业发展战略规划，支持新能源汽车、储能产业发展。而高效催化剂的研究，在氢能产业发展中至关重要。目前用于光解水制氢的大多数催化剂的可见光响应和量子效率都比较低。因此，为了实现光催化制氢的产业化，必须解决与光催化剂成本和催化产氢效率相关的问题。

1、问题分析

关于评价体系构建的问题，我们经过资料搜集后归纳出了催化效果、材料成本、环保性能三个评价指标，并将催化效果这个评价指标细分为晶体结构、形貌结构、能带位置、牺牲剂使用四个子评价指标。由于题目中未提供定量描述的目标值，光催化材料在成分和性质上较难实验量化，于是我们根据运筹学理论，采用层次分析法对三个母指标、四个子评价指标进行权重分析，得出了它们对光催化材料催化效果的评价权重。最终汇总出光催化材料的评价体系。我们定量地寻找禁带宽度与太阳能到氢能转化效率之间的关系，找到禁带宽度与转换效率之间的公式关系后，通过量子产率和光通量进行公式约束。再考虑理想状态和实际状态的情况差异，将化学反应过程中的能量损失作为主要参数进行模型构建，获得了极限效率和实际效率这两个太阳能光电催化转化模型。最后通过傅里叶级数的最小二乘法拟合，得到公式模型。

2、模型的建立与求解

通过查阅资料，我们了解到发展高效、低成本的太阳能规模化制氢技术，具有重大的社会经济效益 [1]。因此我们选取了催化效果、材料成本、环保性能三个因素作为评价指标。将决策问题分为两个层次，上层为目标层，下层为准则层，即三个影响因素：催化效果，材料成本，环保性能。

求解矩阵的特征值，易解得最大特征值 λ = 3.0349，由公式 CI = λn-- n1 ，于是根据 CR = CIRI ，计算得到 CR = 0.033 < 0.1，通过了一致性检验。综合考虑，我们得出三个决策准则的权重如下：催化效果权重为 0.784，材料成本权重为 0.135，环保性能权重为 0.081.再将催化性能的评判标准细分为晶体结构，形貌结构，能带位置，牺牲剂使用四个方面进行评判 [2].求解矩阵的特征值，易解得最大特征值 λ = 4.0511，由公式 CI = λn -- n1 ，于是根据 CR = CIRI ，计算得到 CR = 0.019 < 0.1，在查找了大量资料后，我们发现光电催化水分解制氢有五种反应方案 [4]，采用单光体系分别吸收单个、两个、四个光量子，以及采用双光体系分别吸收两个、四个光量子。然而由题意出发，在题设条件下，光催化材料接受的是混合光照射，因此我们认为五种反应方案的模型无法满足题目要求。由于太阳光的全球辐照强度数据相比于直射束辐照强度数据在进行太阳光能到氢能的催化转化效率计算时，受大气条件（如水蒸气含量、臭氧覆盖）的影响更小 [5]，具有更高的数据稳定性，因此我们选择了光谱中的 Global tilt 数据列作为公式中 Es（λ）的取值。建立的光电催化分解水制氢的转化效率实际模型，在题目给出的 10% 效率限定下，通过 Matlab 的判断程序。半导体是电阻率介于金属和绝缘体之间、并有负的电阻系数的物质。从化学热力学上分析，光催化还原反应要求半导体的导带能级电势要低于受主物质的电位能，也就是半导体顶端越正、空穴的氧化能力越强、导带底部越负，电子还原能力越强。

因此，根据构建的光催化剂评价体系，由能带位置这一评价指标的要求，我们将先前求得的禁带宽度范围缩小至区间。超电压越小的金属越容易从水溶液中析出。由于在电位序表中氢以前的金属超电压很小，而氢的超电压则很大，所以实际情况下，电解时氢较不易析出而这些金属却较易析出。水电解过程中出现的超电压现象，以及器材内部能量消耗的问题，使得光电催化反应达到题设条件的 10% 转化效率需要光催化材料更高的禁带宽度。考虑到催化水分解反应的最小禁带宽度 1.23eV 和光解水过程中可能存在的能量损失等因素，单一半导体实现全分解水的吸光范围较难超过 700nm。前期报道的半导体光催化材料实现全分解水的最长响应波长是 600nm 。根据构建的转化效率实际模型，转化效率峰值处的禁带宽度对应的入射光波长为 758nm。因此，对禁带宽度对应波长在 700nm 以上的光催化剂的研究和应用具有极高的资源效率价值。而目前研究人员合成的氮化钨最长响应波长可达到 765nm，说明钨化物作为光催化剂有向高转化率波长区间发展的潜力。为了实现大规模产氢的目标，我们可以将污水治理与光催化产氢的过程结合起来。污水中所富含的微生物和离子可以抑制光合电子和空穴的复合来提高光合电子和空穴的移动速度，从而达到提高产率、增大效率的目的。如果用这种方法，不仅可以实现能源的利用，还可以对环境保护有所贡献，将二者结合起来，可以极大的减少人力和物资的消耗，是一个可以有效实行的方法。

结论

从定性与定量的两个角度分析光电催化水分解制氢的光催化材料评价，定量给出评价指标对光催化材料评价的权重，运用二级层次分析法，想法大胆又合理。以往的论文利用该法解决实际问题时，都是采用其中某一种方法求权重，而不同的计算方法可能导致结果偏差。为了保证结果的稳健性，本文采用了三种方法分别求出权重，再根据得到的权重矩阵计算各决策准则的权重，进行综合分析，避免了采用单一方法所产生的偏差，得出的结论将更全面，更有效。通过资料查找获得公式进而化简推导，结合条件约束限制获得定量模型，过程严谨。考虑分析了单光系统、双光系统的和混合光系统的特征，模型具有较高的指向性。由太阳能到氢能的转换效率与禁带宽度图像直观清晰地观察太阳能利用规律，结合程序数据标点，实现模型的可视化。

参考文献：

[1]郭烈錦，赵亮，敬登伟，吕友军，张西民. 太阳能高效低成本规模转化氢研究 [J]. 工厂动力，2010：36-47.

[2]韩长存. 氮化碳基纳米材料的可控合成及光催化性能研究 [D]. 中国石油大学（北京），2017.

（西安交通大学金禾中心 ?陕西 ?西安 ?710000）

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