[发明专利]一种光催化水分解的装置及应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化领域，更具体地说，涉及一种光催化水分解的装置及应用。

背景技术

随着化石燃料的日益枯竭，及其带来的严重环境危害，寻求一种可替代的清洁可再生能源是人类的迫切愿望。太阳能是一种取之不尽用之不竭的天然能源，利用太阳能发电早已变为了现实。此外利用太阳能将水分解为氢气和氧气是近代研究的一个热点方向，这样做的优势在于，能量以氢气形式储存要比以电能或者热能储存起来方便的多；氢气摩尔热值高(≈140kJ/g)，储能量大，清洁环保，无毒害，是一种具有极大潜在优势的燃料和能源；而且，由水产生氢气，燃烧后重新生成水，其净结果是光能转变为了化学能，如能实现光解水获得氢气则能达到能源可持续性；氢气不仅是一种储存着高能量的清洁能源，而且亦是一种极为重要的化工原料，如合成氨、甲醇，以及参与加氢、脱硫、脱氮、脱金属等反应，特别是还可以加氢还原温室气体二氧化碳。所以，找到一种有利的完全水分解方式成为了关键。1971年，日本科学家Fujishima和Honda首次报道了二氧化钛在紫外光照射下，配合上极小的外加电压就能分解纯水的科技发现，这项发现开创了近代光催化领域的新篇章。为了在没有外加电压的帮助下亦可以完全分解水，在近40年的时间里，数不胜数的光解水催化剂被研发，反应机理和反应模型也被不断地构建与更新。典型的光解水催化剂有TiO₂，CdS，(Ga_1-xZn_x)(N_1-xO_x)，TaON，SrTiO₃等，还有众多为了克服单种光催化剂不足而研发的复合型光解水催化剂如Pt/TiO₂，CdS/TiO₂，ZnO/CdS，TiO₂/RuO₂等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效耐腐蚀的水分解系统，让氢气氧气分别在光阴极和光阳极上产生，减轻后续分离负担。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种光催化水分解的装置，包括光接收部件、光阳极和光阴极，其中：

光接收部件可选用符合国标或国际标准的太阳能电池或者太阳能电池片，例如Uni-solar公司P型电池片，用于接收光能；所述光接收部件的正极与光阳极相连，负极与光阴极相连；

所述光阳极采用金属钛作为阳极，或金属钛板作为基体，将过渡金属与(或)其氧化物作为负载涂层的钛阳极，如钽铱钛、钌铱钛、钌铱锡钛阳极，具有化学性质稳定，导电性好，降低过电位等优点，例如可从宝鸡市祺鑫钛业有限公司购买；

所述光阴极采用电沉积法制备的Ni-Mo合金材料，配置含Ni，Mo金属离子的溶液，以惰性金属为阳极，选取合适金属材料作为基体并作为阴极，加直流电压进行电沉积反应以得到沉积有Ni-Mo合金前驱体的材料，然后将其浸泡在碱性环境中进行活化后，再与光接收部件相连；其中选取作为基体的金属材料需要用肥皂水，去离子水，无水乙醇依次洗净后，自然风干后在进行电沉积反应，在配置电沉积需要的溶液时，可根据最终合金中Ni，Mo需要的比例，一般来说，Ni_αMo_β合金中，0＜α＜1，0＜β＜1，且两者之和为1，调整加入盐的类型或者数量，参考文献为Reece，S.Y.，J.A.Hamel，et al.(2011).″Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts.″Science 334(6056)：645-648。

在使用时，首先将光接收部件(太阳能电池)的导电部分进行清洁处理后，利用导线、焊锡、导电胶带或导电胶将正极与过渡金属负载的钛阳极相连，负极与Ni_αMo_β光阴极相连，浸泡在电解质溶液中(例如50g/L的硼酸钾溶液，需要提供一定的电导率)，通过光接收部件(太阳能电池)接收外部光能(例如可见光)，以实现光催化下水的分解，在阳极和阴极分别获得氧气和氢气。

附图说明

图1光催化水分解结构示意图，其中1-太阳能电池，2-负极，3-正极，4-Ni-Mo合金光阴极，5-光阳极。

图2Ni-Mo合金光阴极催化剂的扫描电镜图像，电镜型号Hitachi S-4800。