分科測驗
108年
化學
第 11 題
📖 題組：
11-12為題組 半導體材料（例如 $TiO_2$）及催化材料受到太陽光激發後，電子會由基態躍遷至高能量的狀態，促使進行氧化還原反應。所以，藉由太陽光提供能量，在半導體材料及催化材料存在下，可以將水轉變為氫氣與氧氣，稱為光催化水分解，其組成如圖 2 所示。太陽光照射電極乙，激發其電子，然後經外電路傳導至電極甲，進而還原電解液中的氫離子，產生氫氣；同時，電極乙則可將水分子氧化產生氧氣。另外，研究發現，降低半導體材料的粒徑和添加其他催化材料，可有效增加光催化水分解效率。
11-12為題組 半導體材料（例如 $TiO_2$）及催化材料受到太陽光激發後，電子會由基態躍遷至高能量的狀態，促使進行氧化還原反應。所以，藉由太陽光提供能量，在半導體材料及催化材料存在下，可以將水轉變為氫氣與氧氣，稱為光催化水分解，其組成如圖 2 所示。太陽光照射電極乙，激發其電子，然後經外電路傳導至電極甲，進而還原電解液中的氫離子，產生氫氣；同時，電極乙則可將水分子氧化產生氧氣。另外，研究發現，降低半導體材料的粒徑和添加其他催化材料，可有效增加光催化水分解效率。
下列有關光催化水分解的敘述，哪一項正確？
- A X為 $H^+$；P為 $H_2$
- B Y為 $OH^-$；Q為 $O_2$
- C 電子流動方向，由甲電極至乙電極
- D 光催化水分解效率和催化材料大小及形狀無關
- E 光催化水分解效率和太陽光的波長及強度無關
思路引導 VIP
請你試著在文章中找出「太陽光照射電極乙」這句話。順著文字往下看，電子最終被傳導到了哪一個電極？在那個電極上，具體是哪一種粒子發生了反應，最後又產生了什麼氣體呢？試著將你的發現對應到圖表中的 X 與 P 箭頭方向看看。
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了，你精準捕捉到了文章中的關鍵資訊！這題考驗的是閱讀理解與電化學概念的結合。回到文本，清楚提到「激發電極乙的電子，經外電路傳至電極甲，進而還原電解液中的氫離子，產生氫氣」。從這句話就能直接推理出，在甲電極發生的是接收電子的還原反應：也就是反應物 X（$H^+$）變成產物 P（$H_2$），因此你的判斷完全正確！
光電催化電池的運作機制
我們順便檢視其他細節來驗證。既然電子是由乙流向甲，(C) 的方向就寫反了；而在乙電極發生的是將「水分子」氧化產生氧氣，所以 Y 應該是 $H_2O$ 而非 $OH^-$，排除了 (B)。此外，文章末段明示了「降低粒徑」能提升效率，且光激發本就與光的波長能量息息相關，故 (D) 與 (E) 也不攻自破。
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光催化分解水與氫能
💡 利用光能驅動氧化還原分解水，產物氫氣可用於高效燃料電池。
- 陽極光照激發電子，電子由乙流向陰極甲。
- 陰極還原氫離子產氫，陽極氧化水分子產氧。
- 催化劑粒徑愈小（表面積大），反應效率愈高。
- 氫燃料電池屬原電池不可充電，常加鉑鈀作催化劑。
