Quang điện ly nƣớc sử dụng tế bào quang điện hóa liên quan đến một số quá trình trong điện cực quang và tại bề mặt trung gian giữa điện cực quang và dung dịch điện ly, nhƣ cho thấy trong hình 1.12.
Hình 1.12. Cơ chế phản ứng quang điện hóa
Khi ánh sáng ion hóa vật liệu bán dẫn loại n, dẫn đến sự hình thành của các electron trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị:
2h 2e- + 2h’ (1.6)
Trong đó: h là hằng số Planck
là tần số e- là electron
h’ là lỗ trống
Phản ứng có thể xảy ra khi năng lƣợng của các photon bằng hoặc lớn hơn năng lƣợng vùng cấm của bán dẫn.
Tại bề mặt trung gian giữa điện cực quang và dung dịch điện phân : 2h’ + H2O → O2 + 2H+ (1.7)
Những lỗ trống sinh quang h’ phản ứng với nƣớc để hình thành Oxy và ion H+. Khí Oxy đƣợc sinh ra tại bề mặt điện cực quang và ion H+ di chuyển đến cathode thông qua dung dịch điện phân.
Tại cathode: 2H+
+ 2e H2 (1.8)
Các electron đƣợc tạo ra nhƣ phản ứng (1.6) ở quang anode đƣợc chuyển qua mạch ngoài đến cathode phản ứng với ion H+
kết quả là biến đổi ion H+ thành khí H2.
Do đó, phản ứng chung của hiệu ứng quang điện hóa tách nƣớc có thể đƣợc viết lại:
2h + H2O → O2 + H2 (1.9)
Phản ứng (1.9) xảy ra khi năng lƣợng của các photon hấp thụ bởi quang anode lớn hơn năng lƣợng ngƣỡng Ei: Ei =
Trong đó: là giá trị enthalpy bằng 237.141 kJ/mol. NA = 6.022 x 1023 mol-1.
Do đó, hiệu suất: Ei= h = 1.23 eV
Theo kết quả trên thì hiệu ứng quang điện hóa tách nƣớc có thể xảy ra khi lực điện động của tế bào là bằng hoặc lớn hơn 1.23eV