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
技術領域：
本發明屬于能源、汽車等領域具體地說，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：
能源和環境是人類面臨的兩大挑戰。氫能具有高效、清潔、易儲存和易輸運等特點，被普遍推崇為最適當的能源載體。氫氣是二次能源，目前獲取氫氣的原料主要有化石燃料、生物質和水等。即使以較為理想的轉化方式從化石能源和生物質能源制備氫氣，不計產生的其它有害副產物，僅從化學計量學分析，必然產生大量的溫室效應氣體CO2,據估算每生產Im3氫氣，將產生0. 3-0. 4m3的CO2，給環境造成極大的壓力。而分解水制氫的產物只有氫氣和氧氣，氫氣作為燃料時的產物又只是水，因此分解水制氫是一個對自然界沒有任何不利影響的理想的能源生產和使用的環境友好技術。分解水制氫是熱力學上不能自發進行的上坡反應，要實現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，目前已實際應用的分解水制氫技術是電解水制氫。 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，相當一部分電能耗費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鍵。電解水制氫是一種成熟技術，工業應用已有80余年的歷程，全球約有300多座電解水制氫工廠在生產運行，制得的氫氣約占總氫產量的5%，電解水技術存在的根本問題是電耗高。

發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種光催化輔助電解水制氫的方法。本發明提出的光催化輔助電解水制氫方法，以工業電解水為基礎，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導向陰極，實現了光生電子與空穴的即時分離，極大地提高了光解水的效率，同時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地耦合在一起，既能提高過程的產氫效率，又能降低電解水的電耗；是將太陽光直接轉化為化學能(氫能)的方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種光催化輔助電解水制氫的方法，具體步驟為，以工業化的電解水制氫裝置為基礎，通過光催化材料對電解池(或稱電解槽)陽極進行修飾，并采用光源輻照陽極，在電解水的過程中耦合光催化過程，實現光催化輔助電解水制氫；所述的工業化電解水制氫裝置，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體光催化材料，半導體光催化材料是 Ti02、CdS、CdSe、SnO2、WO3等中的一種或一種以上的復合物。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。與現有技術相比，本發明的積極效果是本發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分離，極大地減少了光生載流子的復合幾率，提高了光催化的量子效率。 與光電化學制氫方法的區別在于，現有的光電化學制氫方法以光催化分解水制氫為基礎， 施加小的偏壓(一般低于lv)，這個偏壓比電解水需要的直流電壓低得多(本發明的直流電壓高于1. 5v)，雖然比單純的光解水制氫效率顯著提高了，但還是遠不能滿足實際應用的要求。與傳統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，產生強氧化性的空穴，促進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，陽極產生的光生電子在電解池電壓的作用下，及時遷移到陰極，促進了氫氣釋放過程。通過本發明的方法將光解水制氫與電解水制氫有機地耦合在一起，產生協同效應，既加快了產氫速率，又能降低傳統電解池所需的電壓，到達降低電解水制氫的電耗和提高產氫效率的目的。
具體實施方式以下提供本發明一種光催化輔助電解水制氫的方法的具體實施方式
。實施例1以RuO2為陽極，Pt為陰極，Nifon質子交換膜，純水與異丙醇為電解液構造同體聚合物電解槽(SPE)，并以此同體聚合物電解槽為基礎，采用等離子濺射技術在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，實現了對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，構建本發明的光催化輔助電解水制氫的試驗裝置。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，實現光催化輔助電解水制氫的過程。產氫量用氣相色譜儀分析，通過光電耦合機制，結果發現與無光照的傳統固體聚合物電解水制氫相比，電耗降低了 34%，產氫效率提高了 3. 7倍。實施例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，純水與三乙醇胺為電解液，LaCrO3材料為連接體構造同體氧化物電解槽，并以此固體氧化物電解槽為基礎，通過太陽光輻照陽極構建光催化輔助電解水制氫試驗裝置。將CdS-TW2復合半導體光催化劑涂覆在LSM陽極上，并用伊紅-Y有機染料敏化CdS-TW2復合半導體光催化劑，以有機染料敏化的CdS-TiA復合半導體光催化劑修飾的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，實現光催化輔助電解水制氫的過程。產氫量用氣相色譜儀分析，通過光電耦合機制，結果發現與陽極無光照的傳統固體氧化物電解水制氫相比，電耗降低了 30%，產氫效率提高了 3. 3倍。本發明將光催化與電解水有機地耦合在一起，產生協同效應，克服光解水制氫效率低和電解水制氫電耗高的缺點，具有降低電解池電壓和提高產氫效率的效果。本發明提出的光催化輔助電解水制氫方法，過程簡單，易于實現工業化。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍內。
權利要求
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，以工業化的電解水制氫裝置為基礎，通過光催化材料對電解池陽極進行修飾，并采用光源輻照陽極，在電解水的過程中耦合光催化過程，實現光催化輔助電解水制氫。
2.如權利要求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，半導體光催化材料或者光敏化劑修飾的光催化劑。
4.如權利要求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體光催化材料，半導體光催化材料為Ti02、CdS、CdSe, SnO2, WO3 中的一種或一種以上的復合物。
7.如權利要求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合物。
8.如權利要求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，以工業化的電解水制氫裝置為基礎，通過光催化材料對電解池陽極進行修飾，并采用光源輻照陽極，在電解水的過程中耦合光催化過程，實現光催化輔助電解水制氫。本發明的特點將光催化與電解水有機地耦合在一起，產生協同效應，克服光解水制氫效率低和電解水制氫電耗高的缺點，具有降低電解池電壓和提高產氫效率的效果。本發明提出的光催化輔助電解水制氫方法，過程簡單，易于實現工業化。
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 優先權日2012年2月1日
發明者何洪波, 常明, 曾熾濤, 王毅, 董海軍, 陳愛平 申請人:華東理工大學, 無錫市迪凡勒普高新材料有限公司