專利名稱：一種光催化輔助電解水制氫的方法
一種光催化輔助電解水制氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源、汽車等領(lǐng)域具體地說，是一種制備氫氣的方法，具體地說，是光催化輔助電解水制氫的方法。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境是人類面臨的兩大挑戰(zhàn)。氫能具有高效、清潔、易儲(chǔ)存和易輸運(yùn)等特點(diǎn)，被普遍推崇為最適當(dāng)?shù)哪茉摧d體。氫氣是二次能源，目前獲取氫氣的原料主要有化石燃料、生物質(zhì)和水等。即使以較為理想的轉(zhuǎn)化方式從化石能源和生物質(zhì)能源制備氫氣，不計(jì)產(chǎn)生的其它有害副產(chǎn)物，僅從化學(xué)計(jì)量學(xué)分析，必然產(chǎn)生大量的溫室效應(yīng)氣體CO2,據(jù)估算每生產(chǎn)Im3氫氣，將產(chǎn)生0. 3-0. 4m3的CO2，給環(huán)境造成極大的壓力。而分解水制氫的產(chǎn)物只有氫氣和氧氣，氫氣作為燃料時(shí)的產(chǎn)物又只是水，因此分解水制氫是一個(gè)對自然界沒有任何不利影響的理想的能源生產(chǎn)和使用的環(huán)境友好技術(shù)。分解水制氫是熱力學(xué)上不能自發(fā)進(jìn)行的上坡反應(yīng)，要實(shí)現(xiàn)水的分解必須額外地供給能量。熱、電和光是常見的能量形式，目前已實(shí)際應(yīng)用的分解水制氫技術(shù)是電解水制氫。 在電解水所消耗的電能中，析氫和析氧過電位大約占槽電壓的1/3，相當(dāng)一部分電能耗費(fèi)在克服電極過電位特別是陽極的過電位上。因此提高陽極的活性，降低析氧過電位是提高析氫效率的關(guān)鍵。電解水制氫是一種成熟技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用已有80余年的歷程，全球約有300多座電解水制氫工廠在生產(chǎn)運(yùn)行，制得的氫氣約占總氫產(chǎn)量的5%，電解水技術(shù)存在的根本問題是電耗高。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光催化輔助電解水制氫的方法。本發(fā)明提出的光催化輔助電解水制氫方法，以工業(yè)電解水為基礎(chǔ)，借助電解池施加的較高的直流電壓，把光生電子從陽極即時(shí)導(dǎo)向陰極，實(shí)現(xiàn)了光生電子與空穴的即時(shí)分離，極大地提高了光解水的效率，同時(shí)通過對陽極的光催化活化，提高了陽極的活性，降低陽極的析氧過電位，將光催化制氫與電解水制氫有機(jī)地耦合在一起，既能提高過程的產(chǎn)氫效率，又能降低電解水的電耗；是將太陽光直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(氫能)的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種光催化輔助電解水制氫的方法，具體步驟為，以工業(yè)化的電解水制氫裝置為基礎(chǔ)，通過光催化材料對電解池(或稱電解槽)陽極進(jìn)行修飾，并采用光源輻照陽極，在電解水的過程中耦合光催化過程，實(shí)現(xiàn)光催化輔助電解水制氫；所述的工業(yè)化電解水制氫裝置，為固體聚合物電解池、固體氧化物電解池等。所述的對陽極修飾的光催化材料為貴金屬改性的光催化材料，過渡金屬離子摻雜的光催化材料，半導(dǎo)體光催化材料或者光敏化劑修飾的光催化劑；所述的對陽極修飾的光催化材料為貴金屬改性的光催化材料，貴金屬是Ag、Pt、 Pd、Au等中的一種或一種以上的組合物。所述的對陽極修飾的光催化材料為過渡金屬離子摻雜的光催化材料，過渡金屬離子是Mo5+、Co2+、V4+、Re5+、稀土元素的離子等中的一種或一種以上的組合物。所述的對陽極修飾的光催化材料為半導(dǎo)體光催化材料，半導(dǎo)體光催化材料是 Ti02、CdS、CdSe、SnO2、WO3等中的一種或一種以上的復(fù)合物。所述的對陽極修飾的光催化材料為光敏化劑修飾的光催化劑，光敏化劑是聯(lián)吡啶釕配合物、酞菁、P卜囀、天然色索等。所述的光源，可以是紫外光、可見光、太陽光等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是本發(fā)明將電解水與光解水耦合在一起，降低電解池電壓和提高析氫效率；提供一種新的制備氫氣的方法，即光催化輔助電解水制氫。與光催化制氫過程的區(qū)別在于，借助于電解池(槽)的直流電壓使陽極上的光生電子與空穴能即時(shí)分離，極大地減少了光生載流子的復(fù)合幾率，提高了光催化的量子效率。 與光電化學(xué)制氫方法的區(qū)別在于，現(xiàn)有的光電化學(xué)制氫方法以光催化分解水制氫為基礎(chǔ)， 施加小的偏壓(一般低于lv)，這個(gè)偏壓比電解水需要的直流電壓低得多(本發(fā)明的直流電壓高于1. 5v)，雖然比單純的光解水制氫效率顯著提高了，但還是遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。與傳統(tǒng)的電解水制氫不同之處在于，陽極上的光催化劑能吸收光子的能量，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的空穴，促進(jìn)了陽極氧氣的釋放過程，增加陽極活性，降低陽極析氧過電位，陽極產(chǎn)生的光生電子在電解池電壓的作用下，及時(shí)遷移到陰極，促進(jìn)了氫氣釋放過程。通過本發(fā)明的方法將光解水制氫與電解水制氫有機(jī)地耦合在一起，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，既加快了產(chǎn)氫速率，又能降低傳統(tǒng)電解池所需的電壓，到達(dá)降低電解水制氫的電耗和提高產(chǎn)氫效率的目的。
具體實(shí)施方式以下提供本發(fā)明一種光催化輔助電解水制氫的方法的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1以RuO2為陽極，Pt為陰極，Nifon質(zhì)子交換膜，純水與異丙醇為電解液構(gòu)造同體聚合物電解槽(SPE)，并以此同體聚合物電解槽為基礎(chǔ)，采用等離子濺射技術(shù)在RuO2的陽極方表面濺射一層金屬Ti，并采用陽極氧化法在濺射后的陽極表面得到了一層TiO2納米管陣列薄膜，通過浸漬H2PtCl6和水合胼還原的方法在TW2納米管陣列表面沉積貴金屬Pt，實(shí)現(xiàn)了對RuA陽極的修飾，并以此作為光催化輔助電解水制氫的陽極，通過紫外光輻照陽極，構(gòu)建本發(fā)明的光催化輔助電解水制氫的試驗(yàn)裝置。通以1.6v直流電壓，并采用紫外光源輻照光催化材料修飾的陽極，實(shí)現(xiàn)光催化輔助電解水制氫的過程。產(chǎn)氫量用氣相色譜儀分析，通過光電耦合機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與無光照的傳統(tǒng)固體聚合物電解水制氫相比，電耗降低了 34%，產(chǎn)氫效率提高了 3. 7倍。實(shí)施例2以Ni-YSZ多孔金屬陶瓷材料為陰極，LSM為陽極，ZrO為固體氧化物電解質(zhì)，純水與三乙醇胺為電解液，LaCrO3材料為連接體構(gòu)造同體氧化物電解槽，并以此固體氧化物電解槽為基礎(chǔ)，通過太陽光輻照陽極構(gòu)建光催化輔助電解水制氫試驗(yàn)裝置。將CdS-TW2復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑涂覆在LSM陽極上，并用伊紅-Y有機(jī)染料敏化CdS-TW2復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑，以有機(jī)染料敏化的CdS-TiA復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑修飾的LSM作為光催化輔助電解水制氫的陽極，通以1.3v直流電壓，并采用太陽光輻照修飾后的陽極，實(shí)現(xiàn)光催化輔助電解水制氫的過程。產(chǎn)氫量用氣相色譜儀分析，通過光電耦合機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與陽極無光照的傳統(tǒng)固體氧化物電解水制氫相比，電耗降低了 30%，產(chǎn)氫效率提高了 3. 3倍。本發(fā)明將光催化與電解水有機(jī)地耦合在一起，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，克服光解水制氫效率低和電解水制氫電耗高的缺點(diǎn)，具有降低電解池電壓和提高產(chǎn)氫效率的效果。本發(fā)明提出的光催化輔助電解水制氫方法，過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，其具體步驟為，以工業(yè)化的電解水制氫裝置為基礎(chǔ)，通過光催化材料對電解池陽極進(jìn)行修飾，并采用光源輻照陽極，在電解水的過程中耦合光催化過程，實(shí)現(xiàn)光催化輔助電解水制氫。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的工業(yè)化電解水制氫裝置，為同體聚合物電解池或者同體氧化物電解池。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的對陽極修飾的光催化材料為貴金屬改性的光催化材料，過渡金屬離子摻雜的光催化材料，半導(dǎo)體光催化材料或者光敏化劑修飾的光催化劑。
4.如權(quán)利要求3所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的對陽極修飾的光催化材料為貴金屬改性的光催化材料，貴金屬為Ag、Pt、Pd、Au中的一種或一種以上的組合物。
5.如權(quán)利要求3所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的對陽極修飾的光催化材料為過渡金屬離子摻雜的光催化材料，過渡金屬離子為Mo5+、Co2+、V4+、 Re5+、稀土元素的離子中的一種或一種以上的組合物。
6.如權(quán)利要求3所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的對陽極修飾的光催化材料為半導(dǎo)體光催化材料，半導(dǎo)體光催化材料為Ti02、CdS、CdSe, SnO2, WO3 中的一種或一種以上的復(fù)合物。
7.如權(quán)利要求3所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的對陽極修飾的光催化材料為光敏化劑修飾的光催化劑，光敏化劑為聯(lián)吡啶釕配合物、酞菁、口卜囀、天然色素中的一種或一種以上的復(fù)合物。
8.如權(quán)利要求1所述的一種光催化輔助電解水制氫的方法，其特征在于，所述的光源為紫外光、可見光或者太陽光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光催化輔助電解水制氫的方法，具體步驟為，以工業(yè)化的電解水制氫裝置為基礎(chǔ)，通過光催化材料對電解池陽極進(jìn)行修飾，并采用光源輻照陽極，在電解水的過程中耦合光催化過程，實(shí)現(xiàn)光催化輔助電解水制氫。本發(fā)明的特點(diǎn)將光催化與電解水有機(jī)地耦合在一起，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，克服光解水制氫效率低和電解水制氫電耗高的缺點(diǎn)，具有降低電解池電壓和提高產(chǎn)氫效率的效果。本發(fā)明提出的光催化輔助電解水制氫方法，過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
文檔編號C25B11/06GK102534645SQ20121002256
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者何洪波, 常明, 曾熾濤, 王毅, 董海軍, 陳愛平 申請人:華東理工大學(xué), 無錫市迪凡勒普高新材料有限公司