2026年中考化学一轮复习教学素材：光解制氢技术

【教学素材】 光解水制氢技术 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】光解水制氢是一种利用太阳能和光催化剂将水分解成氢气和氧气，制备清洁绿氢的能源技术，被认为是实现“双碳”目标、发展清洁能源的重要方向。其核心原理是利用半导体光催化剂的光电效应，这项技术直接利用太阳能将水分解成“绿氢”，无需经过“先发电、再电解”的中间环节，被视为未来能源革命的关键方向之一。 一、核心原理与技术优势 （1）基本原理：光催化剂吸收光子能量（通常需紫外光，改性后可拓展至可见光），激发电子—空穴对，分别驱动水还原和氧化反应生成氢气与氧气。其核心反应的化学方程式为2H2O ( 光/催化剂 )2H2↑＋O2↑（光照＋催化剂条件）。 （2）核心优势：直接利用太阳能，无温室气体排放，能耗低（相比电解水）。 【同步训练设计】 1．“光解制氢”可实现水的高效分解，其反应示意图如图，下列说法正确的是（ ） A．该反应的反应物分子不可分 B．反应前后原子种类不发生改变 C．a、b的组成元素相同，化学性质相同 D．在化学变化中，原子可以再分 2．我国科学家研制新型光解水助催化剂，可直接将太阳辐射能转化为氢能。利用某种催化剂光分解水的微观模拟示意图如下图，下列有关认识不正确的是（ ） A．该反应中只有两种元素 B．该反应的化学方程式为2H2O ( 光/催化剂 )2H2↑＋O2↑ C．图中反应物是单质 D．该过程可说明：水是由氢、氧元素组成的 3．氢气是理想的“绿色能源”，近年来我国制氢量已位居世界第一。 （1）图1是光催化分解制H2的工作原理，请写出该反应的化学方程式为 。从探索物质组成的角度分析，由该原理可推出：水是由 组成。 （2）图2是我国氢能发展规划，光催化分解制氢属于 （填“灰氢”“蓝氢”或“绿氢”）。 4．氢气是理想的清洁高能燃料，以水为原料生产氢气的方法有多种。 （1）电解水法。写出电解水的化学方程式为 。用如图装置进行电解水实验，描述中正确的是 （填序号） A．向水中加入少量的硫酸，以增强导电性 B．a、b两试管内收集到的气体的体积比约为2︰1 C．a试管内产生的气体能燃烧 D．b试管内产生的气体具有可燃性 （2）光解水法。我国科学家已研制出在新型高效光催化剂作用下，利用太阳能分解水制氢气。水在通过并接触催化剂表面时，分解的微观过程用示意图表示如下：（“○”表示氢原子，“●”表示氧原子，“”表示催化剂） 则：水分解微观过程的正确顺序是 （填序号）。上述过程中，不能再分的粒子是 （填符号）。 5．科学家发现用某种半导体催化剂可以使水在光照条件下分解制得廉价的氢气，这使氢能源的研究和应用更向前迈进了一步。 （1）水在光催化剂作用下制备氢气的原理如图1所示。光解水时，光能转化为 能。在反应过程中，光催化剂在反应前后的质量和 不变。 （ （2）光解水生成的两种气体体积与时间的关系如图2所示，其中表示氢气生成的是 （填“M”或“N”），反应的化学方程式为 。从探索物质组成的角度分析，由该原理可推出：水是由 组成。 6．阅读短文，回答下列问题： 以二氧化钛为光催化材料，在阳光照射下使水分解，释放出氢气，这是国际上一直竞相发展的光解水制氢方法。当二氧化钛中掺杂非金属或金属时，掺入物质的类型、掺入的量会对其光催化效果产生不同影响。例如掺杂不同比例石墨相氮化碳（g-C3N4）的二氧化钛光催化分解水时，产生H2质量随时间变化关系如图。 传统的光解水制氢因二氧化钛材料结构问题转化效率很低。近期，我国科研团队通过元素替代等方法，创新性地引入稀土元素钪，对二氧化钛进行“元素替代”和“结构整容”，改造后的材料紫外线利用率从原先不足2%提升到30%以上，模拟太阳光下产氢效率较同类材料提升15倍，创该材料体系新纪录。该成果于2025年4月8日在《美国化学学会期刊》发表。 （1）结合材料分析，我国科研团队通过 等方法，提高二氧化钛光解水制氢效率。 （2）请写出以二氧化钛为催化材料，光解水制氢的化学方程式 ，该反应的基本类型为 反应。 （3）结合图数据可知，当掺杂石墨相氮化碳（g-C3N4）与二氧化钛（TiO2）的比例为 时，二氧化钛催化材料对光解水制氢催化效果最好。 （4）结合材料分析，经我国科研团队改造后的二氧化钛催化材料，其优点是 。 7．阅读下列资料，并回答问题。 二氧化钛（TiO2）是一种无毒的白色粉末，作为光催化材料被广泛应用于降解污染物、分解水制氢等领域。 资料一：向TiO2中加入某些金属元素可以提高其光催化降解性能。我国科研人员制备了Cu--TiO2复合材料，并比较了它和TiO2对某污染物的光催化降解性能，实验结果如图(降解率越高，材料的光催化降解性能越强)。 资料二：利用TiO2催化材料可实现阳光下“一键分解”水分子制氢。当阳光照射时，TiO2晶体内部激发出光生电子和空穴，水分子在光生电子和空穴作用下分解。但是，光生电子和空穴在晶体内部横冲直撞，绝大多数在百万分之一秒内就会复合湮灭，导致光催化分解水的效率大幅降低。近日，我国科研人员用大小相近的钪离子替代部分钛离子，实现了有序收集光生电子和接收空穴。通过对TiO2晶体的结构改造，使制氢效率提高15倍，创造了该材料体系的新纪录。 （1）TiO2中钛元素的化合价是 。 （2）下列与Cu—TiO2属于同类材料的是 （填序号）。 ①铜 ②玻璃钢 ③钛合金 （3）图中表示Cu—TiO2复合材料的曲线是 （填“a”或“b”）。图中材料用量达到 g时，两种材料的光催化降解性能开始趋于稳定。 （4）掺杂钪改造TiO2，其目的是 。 （5）阅读分析以上资料，下列理解正确的是 （填序号）。 ①TiO2中加入任何元素均可提高其光催化性能 ②可通过改变材料的结构，优化材料的性能 ③“元素替代”是改变材料性能的一种途径 参考答案 1～2．B、C； 3．（1）2H2O ( 光/催化剂 )2H2↑＋O2↑；氢、氧元素；（2）绿氢。 4．（1）2H2O ( 通电 )2H2↑＋O2↑；ABC；（2）①④②⑤③；O、H。 5．（1）化学；化学性质；（2）M；2H2O ( 光/催化剂 )2H2↑＋O2↑；氢氧元素。 6．（1）元素替代；（2）；分解；（3）1：4；（4）节约能源（合理即可）。 7．（1）＋4；（2）②；（3）a；1.1；（4）提高制氢效率；（5）②③。 学科网（北京）股份有限公司 $