[發明專利]一種聚光-轉光復合增強型太陽能光催化分解水制氫系統

有效

• 申請號: 201010291005.6
• 申請日: 2010-09-21
• 公開（公告）號: CN101973519A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 陸春華;王衛;倪亞茹;張其土;許仲梓
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C01B3/04
• 分類號: C01B3/04
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域：

本發明涉及一種聚光-轉光復合增強型太陽能光催化分解水制氫系統，尤其是一種集“聚光、轉光和光催化”多種功能于一體的新型循環式太陽能光催化分解水制氫系統。

背景技術：

在解決全球性的能源和環境危機中，利用自然界豐富的太陽能光催化制氫作為是一條可持續發展的新能源途徑，正日益受到國際社會的高度關注，太陽能光催化制氫材料與技術已成為當前新能源技術領域的研究熱點和重點之一。在太陽能光伏發電電解水制氫、太陽能熱化學分解水及生物質制氫、太陽能光催化分解水制氫等幾種途徑中，利用高效、穩定的太陽光光催化材料構建新型太陽能直接分解純水制氫(氧)系統最具吸引力，潛在的經濟和社會價值巨大。

目前，光催化制氫反應體系主要包括光催化分解純水制氫體系及含有犧牲試劑制氫體系兩大類。與后者相比，具有氧化還原特性的“Z?scheme″型光催化體系，由于沒有介質的消耗，因而在實際應用方面將會更具優勢。隨著一些新型光催化材料的出現，如改性TiO₂、TaON、Ta₃N₅、BiVO₄等。人們構建了一些新的光催化制氫系統，如Abe等以Pt/TaON為還原光催化劑，以Pt/WO₃為氧化光催化劑，在IO^-3/I^-溶液中實現了水的分解，量子效率達到了0.14％。通過ZrO₂、CNs改性和納米結構化，可以顯著提高Ta₃N₅的光催化活性，Masashi?Tabata等人在IO^-3/I^-溶液中同樣也實現了水的直接分解制氫和制氧。由于光轉換-催化反應體系性能受到光催化材料光譜響應特性、光子轉換效率以及穩定性眾多因素的影響，到目前為止，太陽能光催化制氫仍未達到實用化性能要求。

通過國內外文獻資料的了解，光催化效果好、性能穩定的光催化材料目前主要是一些在紫外、近紫外高能光子激發下響應好、光子轉換效率高的改性的或者是未改性的半導體氧化物、氮氧化物、氮化物材料，如C、N、B、摻雜TiO₂，TaON，Ta₃N₅、CNTs-Ta₃N₅、BiVO₄等，可通過射頻磁控濺射、脈沖激光沉積、液相沉積法、溶膠-凝膠等方法制成光催化薄膜進行應用。透明紅外轉光材料通過雙光子、三光子等多光子過程將太陽光中低能態紅外光子轉換為高能態可見、近紫外或者是藍綠光。通過光催化和光轉換兩種不同材料的有效復合，即可獲得一種集轉光和光催化功能于一體的新型光轉換-催化復合材料。到目前為止，這種光轉換-催化復合材料以及以它為基礎的集“聚光、轉光和光催化”多種功能于一體的新型太陽能光催化分解水制氫系統還未出現。

發明內容：

本發明的目的是提供一種高效、穩定的聚光-轉光復合增強型太陽能光催化分解水制氫系統。

本發明的技術方案為：一種聚光-轉光復合增強型太陽能光催化分解水制氫系統，其特征是：由太陽光采集-傳輸單元、光轉換-催化制氫反應單元、光轉換-催化制氧反應單元和介質循環控制單元組成；太陽光經過太陽光采集-傳輸單元的采集與傳輸，注入到光轉換-催化制氫反應單元和光轉換-催化制氧反應單元，與反應介質產生相互作用，發生光催化制氫反應；其中光轉換-催化制氫反應單元由反應器罐體(A)、“光轉換-催化”制氫反應陣列、聯接器、氣體分離膜和反應介質共同組成；太陽光采集-傳輸單元由菲涅爾透鏡、聚光器和太陽能自動跟蹤器、導光纖維共同組成；菲涅爾透鏡在聚光器的上面，聚光器底部聯接導光纖維，光轉換-催化制氫反應單元通過“光轉換-催化”制氫反應陣列端口的聯接器與太陽光采集-傳輸單元導光纖維的輸出端聯通，通過反應器罐體(A)上部的氫氣輸送管道與儲氫裝置聯通；光轉換-催化制氧反應單元由反應器罐體(B)、光轉換-催化制氧反應陣列、聯接器、反應介質和氣體分離膜和反應介質共同組成，通過光轉換-催化制氧反應陣列端口的聯接器與太陽光采集-傳輸單元導光纖維的輸出端聯通；光轉換-催化制氫反應單元和光轉換-催化制氧反應單元，通過介質循環控制單元進行反應介質的循環交換與濃度調控；其中，光轉換-催化制氫反應陣列由光轉換-催化制氫復合材料組成，并根據需要進行設計組合；光轉換-催化制氧反應陣列由光轉換-催化制氧復合材料組成，并根據需要進行設計組合。