一種光催化水制氫反應(yīng)裝置及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氫氣制備領(lǐng)域，具體地涉及一種光催化水制氫反應(yīng)器裝置及應(yīng)用，尤其涉及一種光催化水制氫反應(yīng)器裝置及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能制氫主要集中在如下幾種技術(shù):熱化學(xué)法制氫、電化學(xué)分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫和生物制氫。太陽(yáng)能直接熱分解水制氫是最簡(jiǎn)單的方法，就是利用太陽(yáng)能聚光器收集太陽(yáng)能直接加熱水，使其達(dá)到2500K以上的溫度從而分解為氫氣和氧氣的過(guò)程。利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)電解水，也是一種太陽(yáng)能制氫的手段，但存在的關(guān)鍵問(wèn)題是如何降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本。光催化制氫在太陽(yáng)能制氫中是最受矚目的，也是能源化工領(lǐng)域的重大前沿學(xué)科。近二三十年來(lái)，科研人員投入了大量的精力來(lái)做這方面的工作。在太陽(yáng)能制氛中，最關(guān)鍵的是下面的兩個(gè)反應(yīng):
[0003]H2O — H2+l/202 (I)
[0004]C02+2H20 — CH30H+3/202 (2)
[0005]反應(yīng)⑴是水在光的作用下，分解釋放出氫氣和氧氣的反應(yīng)，也是電解水的反應(yīng)；反應(yīng)(2)是水和二氧化碳在光的作用下生成有機(jī)質(zhì)，并釋放出氧氣的過(guò)程，類似于植物光合作用的反應(yīng)。這兩個(gè)反應(yīng)本質(zhì)上都是水的分解反應(yīng)，也是人類一直在追求的理想反應(yīng)，被稱之為化學(xué)領(lǐng)域的“哥德巴赫猜想”。這兩個(gè)反應(yīng)本身就可以形成封閉體系，即水分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣，在釋放能量的過(guò)程中又重新生成了水。一旦這兩個(gè)反應(yīng)在工業(yè)條件下較好地實(shí)現(xiàn)，那時(shí)人類就可以不依賴于化石能源了，只需依賴太陽(yáng)能，就可以實(shí)現(xiàn)人類自身的能源供給。
[0006]水分解一直是人類想攻克的難題。眾所周知，化學(xué)鍵要打斷的話，一是將成鍵電子激發(fā)到反鍵軌道上，二是外界提供電子到反鍵軌道上，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵的斷裂。就水分子而言，要打斷氫氧鍵，將成鍵軌道上的電子激發(fā)到反鍵軌道上，需要SeV的能量。如果想依靠熱來(lái)分解水的話，那么將需要2000°C的高溫。這種方法耗能高，不經(jīng)濟(jì)，且效果差。如果要依靠太陽(yáng)光直接分解水，那么需要的光波長(zhǎng)大約是170nm，然而光線經(jīng)過(guò)大氣的吸收、散射，實(shí)際到達(dá)地面的太陽(yáng)光中<200nm的光線幾乎沒(méi)有。因此，人們?cè)诜纸馑奶剿髦羞x擇了光催化的方法。催化的原理就是將熱力學(xué)上可行的反應(yīng)，利用催化活化轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力學(xué)上可行的反應(yīng)。然而分解水是熱力學(xué)上不可行的反應(yīng)。因此，需要向體系里注入能量，使之在熱力學(xué)上可行。同時(shí)為了使反應(yīng)順利進(jìn)行，需降低反應(yīng)的活化能。
[0007]通過(guò)在光催化分解水體系中引入了 T12催化劑，在紫外光的照射下，光催化轉(zhuǎn)化水的量子效率在0.1%以下，經(jīng)過(guò)此后十多年的發(fā)展，他們將量子效率提升至20%多。到了 20世紀(jì)末，紫外光催化分解水的效率達(dá)到70%。由于大氣對(duì)太陽(yáng)光的過(guò)濾，實(shí)際上到達(dá)地面的紫外光的能量只占到達(dá)地面太陽(yáng)光總能量的5%，即便將所有的紫外光都利用起來(lái)，對(duì)太陽(yáng)光的利用率也是很低的。理論上100nm以下的太陽(yáng)光都可以催化分解水，但實(shí)際上700nm以上的紅外光能量太低，還不足以催化分解水。因此，人們目前將注意力主要集中在400-700nm的可見(jiàn)光區(qū)，這部分能量占太陽(yáng)光到達(dá)地面總能量的43%，非常有發(fā)展前景。從2000年至今，人們又開(kāi)始開(kāi)發(fā)在可見(jiàn)光照射下的光催化分解水的催化劑，目前最好的量子效率已到達(dá)6% -7%。
[0008]由上綜述可知，要提高光催化的效率，一方面要在化學(xué)角度攻關(guān)，即研宄光催化本身；另外一方面要在反應(yīng)器上下功夫。目前的研宄主要集中在化學(xué)催化上，很少有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。因此需要設(shè)計(jì)一種利用太陽(yáng)光光催化高效制備氫氣的反應(yīng)器裝置。超重力技術(shù)是過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)的典型代表之一，超重力反應(yīng)器以其優(yōu)異的傳質(zhì)和混合強(qiáng)化性能，成為了當(dāng)前最熱門(mén)的研宄對(duì)象。本發(fā)明的太陽(yáng)光催化水制氫超重力反應(yīng)器裝置有望提升光催化效率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光高效制氫的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種光催化水制氫反應(yīng)裝置，從而可以高效地利用太陽(yáng)光催化水來(lái)制備氫氣。
[0010]一種光催化水制氫反應(yīng)裝置，所述裝置包括外殼、光陽(yáng)極、陰極轉(zhuǎn)子、離子膜；其中所述光陽(yáng)極、陰極轉(zhuǎn)子和離子膜位于所述外殼內(nèi)；所述外殼包括透光的上蓋板、透光的下蓋板和殼體，所述上蓋板上設(shè)有陽(yáng)極入水口，所述下蓋板上設(shè)有陰極入水口 ；其中所述透光的上蓋板與透光的下蓋板均與殼體緊密相接；所述光陽(yáng)極由光催化材料構(gòu)成，包括陽(yáng)極圓片和一組陽(yáng)極同心環(huán)片，所述陽(yáng)極同心環(huán)片固設(shè)于陽(yáng)極圓片下表面上；所述陰極轉(zhuǎn)子包括陰極圓片和一組陰極同心環(huán)片，所述陰極同心環(huán)片固設(shè)于所述陰極圓片上表面上；所述陽(yáng)極同心環(huán)片和陰極同心環(huán)片交錯(cuò)排列；所述離子膜設(shè)于光陽(yáng)極與陰極轉(zhuǎn)子之間。
[0011]所述透光的上蓋板為直射太陽(yáng)光的接受面，所述透光的下蓋板為反射太陽(yáng)光的接受面。
[0012]優(yōu)選地，所述陽(yáng)極同心環(huán)片垂直于陽(yáng)極圓片；優(yōu)選地，所述陽(yáng)極同心環(huán)片之間具有相同的距離；
[0013]所述光催化材料包括T12、ZnO或ZrO2，優(yōu)選地為T(mén)12。
[0014]所述陰極轉(zhuǎn)子由鉑和鎳金屬?gòu)?fù)合材料構(gòu)成，優(yōu)選地，所述陰極同心環(huán)片垂直于陰極圓片；優(yōu)選地，所述陰極同心環(huán)片之間具有相同的距離。
[0015]優(yōu)選地，所述陽(yáng)極同心環(huán)片平行于陰極同心極環(huán)片。
[0016]優(yōu)選地，所述太陽(yáng)光催化水制氫超重力反應(yīng)器裝置進(jìn)一步包括電機(jī)和轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸一端與所述電機(jī)相連，另一端與陰極圓片相連，優(yōu)選地轉(zhuǎn)軸連接于陰極圓片的中心；所述電機(jī)可通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)陰極圓片旋轉(zhuǎn)。陰極環(huán)片的旋轉(zhuǎn)將有利于氣體和液體的分離。
[0017]優(yōu)選地，所述太陽(yáng)光催化水制氫超重力反應(yīng)器裝置進(jìn)一步包括離子膜支撐物，其用于支撐所述離子膜。
[0018]所述離子膜與所述光陽(yáng)極之間形成氧氣發(fā)生區(qū)；所述離子膜與所述陰極轉(zhuǎn)子形成氫氣發(fā)生區(qū)。
[0019]優(yōu)選地，所述陽(yáng)極入水口與氧氣發(fā)生區(qū)相連通；
[0020]優(yōu)選地，所述陰極入水口與氫氣發(fā)生區(qū)相連通；
[0021]優(yōu)選地，所述太陽(yáng)光催化水制氫超重力反應(yīng)器裝置進(jìn)一步包括氧氣出氣口，其設(shè)于上蓋板上，優(yōu)選地所述氧氣出氣口設(shè)于所述上蓋板的中心。
[0022]優(yōu)選地，所述太陽(yáng)光催化水制氫超重力反應(yīng)器裝置進(jìn)一步包括氣液分離器，所述氣液分離器設(shè)于殼體上，且與氫氣發(fā)生區(qū)相連通，包括氣液混合區(qū)和氣體區(qū)。
[0023]優(yōu)選地，所述太陽(yáng)光催化水制氫反應(yīng)裝置進(jìn)一步包括氫氣出氣口，所述氫氣出氣口與氫氣發(fā)生區(qū)連接。
[0024]本發(fā)明進(jìn)一步包括利用上述的光催化水制氫裝置進(jìn)行分解水制造氫氣的應(yīng)用。
[0025]本發(fā)明的有益效果如下:
[0026]本發(fā)明裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；可以高效地實(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫氣，在制備的同時(shí)，利用超重力技術(shù)實(shí)現(xiàn)水、氫氣、氧氣的快速分離，從而顯著減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品收率，降低單位產(chǎn)品的物耗和能耗。
【附圖說(shuō)明】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0028]圖1示出實(shí)施例1中光催化水制氫反應(yīng)裝置的剖視圖。
[0029]圖2示出實(shí)施例1中光催化水制氫反應(yīng)裝置的俯視圖。
[0030]110光陽(yáng)極、111陽(yáng)極環(huán)片、112陽(yáng)極圓片、120陰極轉(zhuǎn)子、121陰極環(huán)片、122陰極圓片、200離子膜、310陽(yáng)極入水口、320陰極入水口、410氧氣出口、420氫氣出口、