本發(fā)明屬于光熱催化制氫，特別涉及一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

1、目前，太陽能驅(qū)動(dòng)制氫集中于光催化制氫，包括光催化水分解、甲酸分解等方式。然而，光催化受催化劑帶隙的限制，無法實(shí)現(xiàn)全光譜太陽能的利用，限制了制氫的速率。此外，甲酸制氫集中于熱催化的研究，光熱催化制氫也局限于將催化劑直接投入反應(yīng)溶液中，造成了極大的熱損失，限制了制氫性能。同時(shí)，甲酸作為儲(chǔ)氫介質(zhì)，制氫速率受電離程度的限制，需要額外的助催劑，導(dǎo)致儲(chǔ)氫密度的下降和應(yīng)用成本的上升。并且，目前甲酸制氫體系中密集堆積的催化劑產(chǎn)生巨大傳質(zhì)阻力也限制了制氫速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)與方法，以解決光熱損失和體系阻力導(dǎo)致的制氫效率不高的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、第一方面，提供了一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，包括光熱轉(zhuǎn)換-催化層和液體傳輸層；所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層置于所述液體傳輸層上；所述液體傳輸層置于甲酸中；

4、所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層由催化劑負(fù)載于碳化三聚氰胺泡沫的孔隙內(nèi)組成；

5、所述液體傳輸層為三聚氰胺泡沫。

6、在一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑為ti3c2tx。

7、在一個(gè)實(shí)施例中，所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層和液體傳輸層的體積和密度，使得液體傳輸層置于甲酸中時(shí)光熱轉(zhuǎn)換-催化層能夠全部或部分漂浮于液面之上。

8、在一個(gè)實(shí)施例中，所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層通過如下方法制備：

9、制備催化劑漿液；

10、將三聚氰胺泡沫加入乙醇溶液中超聲清洗并干燥，然后加熱使其碳化，得到碳化三聚氰胺泡沫；

11、將所述碳化三聚氰胺泡沫浸入所述催化劑漿液中吸收催化劑，然后干燥去除水分，即得所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層。

12、在一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑漿液通過如下方法制備：

13、將lif與hcl混合攪拌，再加入ti3alc2在40℃-50℃下攪拌得到酸性漿液，洗滌，離心，直至ph值為5.5-6.5，得到所述催化劑漿液；以重量計(jì)，lif與ti3alc2的用量比為(1-1.6)：1，hcl與lif的用量比為(0.2-0.3)：1。

14、在一個(gè)實(shí)施例中，所述三聚氰胺泡沫超聲清洗后在60℃-80℃下干燥，所述碳化三聚氰胺泡沫吸收催化劑后在80℃-100℃下干燥。

15、在一個(gè)實(shí)施例中，所述碳化的條件為500℃-800℃，300-500min。

16、在一個(gè)實(shí)施例中，所述液體傳輸層通過如下方法制備：

17、將三聚氰胺泡沫加入乙醇溶液超聲清洗并干燥，之后用乙醇洗滌數(shù)次，得到孔隙均勻的液體傳輸層。

18、在一個(gè)實(shí)施例中，所述干燥條件為：80℃-100℃下真空干燥300-500min。

19、第二方面，提供了一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫方法，基于第一方面所述的太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟：

20、將所述液體傳輸層置于甲酸中，基于重力，光熱轉(zhuǎn)換-催化層的全部或一部分漂浮于液面；

21、將系統(tǒng)置于光照條件，光熱轉(zhuǎn)換-催化層和液體傳輸層的溫差促使甲酸發(fā)生氣液相變，甲酸經(jīng)過液體傳輸層向上泵送，相變后擴(kuò)散到光熱轉(zhuǎn)換-催化層并附著在催化劑表面，催化劑直接分解甲酸產(chǎn)生氫氣。

22、在一個(gè)實(shí)施例中，所述液體傳輸層和/或所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層鋪滿整個(gè)甲酸液面。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

24、本發(fā)明將催化劑集中負(fù)載于光熱轉(zhuǎn)換-催化層，擴(kuò)展了太陽能的光吸收范圍，減少了光熱損失，通過液體傳輸層泵送甲酸，并在界面處基于光熱作用實(shí)現(xiàn)氣液相變，降低了傳質(zhì)阻力，最終提高了光熱轉(zhuǎn)換的效率。

25、本發(fā)明的戶外實(shí)驗(yàn)證明，使用本發(fā)明系統(tǒng)，最終的制氫效率達(dá)到200.9mmol?g-1h-1，相比于直接將催化劑溶解在甲酸中的制氫效率(13.4mmol?g-1h-1)，有了顯著的提高。上述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能光熱驅(qū)動(dòng)下的甲酸制氫，不僅拓展了太陽能的吸收范圍，還減少了光和熱的損耗，避免了催化劑材料的失活，還實(shí)現(xiàn)了催化劑的一步式回收，節(jié)省了多余的回收步驟。

26、此外，整個(gè)系統(tǒng)制備工藝簡(jiǎn)單，材料來源廣泛，成本低廉，有助于進(jìn)一步推動(dòng)光熱制氫的技術(shù)應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，包括光熱轉(zhuǎn)換-催化層和液體傳輸層；所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層置于所述液體傳輸層上；所述液體傳輸層置于甲酸中；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述催化劑為ti3c2tx。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層和液體傳輸層的體積和密度，使得液體傳輸層置于甲酸中時(shí)光熱轉(zhuǎn)換-催化層能夠全部或部分漂浮于液面之上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層通過如下方法制備：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述催化劑漿液通過如下方法制備：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述三聚氰胺泡沫超聲清洗后在60℃-80℃下干燥，所述碳化三聚氰胺泡沫吸收催化劑后在80℃-100℃下干燥。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述碳化的條件為500℃-800℃，300-500min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述液體傳輸層通過如下方法制備：

9.一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫方法，基于權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包括如下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫方法，其特征在于，所述液體傳輸層和/或所述光熱轉(zhuǎn)換-催化層鋪滿整個(gè)甲酸液面。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種太陽能驅(qū)動(dòng)甲酸持續(xù)制氫系統(tǒng)與方法，系統(tǒng)包括光熱轉(zhuǎn)換?催化層和液體傳輸層；所述光熱轉(zhuǎn)換?催化層置于所述液體傳輸層上；所述液體傳輸層置于甲酸中，基于重力，光熱轉(zhuǎn)換?催化層的全部或一部分漂浮于液面；所述光熱轉(zhuǎn)換?催化層由催化劑負(fù)載于碳化三聚氰胺泡沫的孔隙內(nèi)組成；所述液體傳輸層為三聚氰胺泡沫。將系統(tǒng)置于光照條件，光熱轉(zhuǎn)換?催化層和液體傳輸層的溫差促使甲酸發(fā)生氣液相變，甲酸經(jīng)過液體傳輸層向上泵送，相變后擴(kuò)散到光熱轉(zhuǎn)換?催化層并附著在催化劑表面，催化劑直接分解甲酸產(chǎn)生氫氣。本發(fā)明能夠擴(kuò)展太陽能的光吸收范圍，減少光熱損失，降低傳質(zhì)阻力，從而提高光熱轉(zhuǎn)換的效率。

技術(shù)研發(fā)人員：李印實(shí),劉琨
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6