[發(fā)明專利]光電催化分解水制氫反應(yīng)裝置和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2014-12-15
• 公開（公告）號: CN104562071A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鞏金龍;常曉俠;王拓;張鵬;張冀杰;李盎
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B9/04
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光照和電解反應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種光電催化分解水制氫應(yīng)裝置和應(yīng)用。

背景技術(shù)

近些年來，隨著化石資源的過度消耗和環(huán)境污染的日益加劇，全球范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境污染問題日漸突出，開發(fā)新型綠色可再生資源已經(jīng)迫在眉睫。太陽能以其來源廣泛，可再生性強，環(huán)境友好等諸多優(yōu)點越來越多地引起學(xué)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注。光解水制氫通過光電化學(xué)轉(zhuǎn)化將光能轉(zhuǎn)化為氫能，并且氫能具有燃燒值高、無毒無污染等優(yōu)點，普遍被人們視為一種高效、安全和清潔無污染的綠色能源。因此光解水制氫反應(yīng)擁有解決能源和環(huán)境問題的潛力。Fujishima和Honda[Fujishima,A.,Honda,K.,Nature,1972,238(5358),37-38]首次報道了TiO₂光電化學(xué)池轉(zhuǎn)化分解水的性能。但是由于光電催化分解水制氫的產(chǎn)物量小不易分析檢測，現(xiàn)有裝置系統(tǒng)體積龐大造成氫氣的濃度很低，因此對產(chǎn)物氫氣的定量檢測不夠準確。

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，提供一套氣密性優(yōu)異，體積較小，可施加光照和電壓以及循環(huán)冷凝水的光電催化分解水制氫反應(yīng)裝置，可用于分析半導(dǎo)體催化材料的光電催化分解水制氫反應(yīng)性能。

本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)

光電催化分解水制氫反應(yīng)裝置，包括：反應(yīng)器、夾套和旋蓋，所述反應(yīng)器為底端封閉頂端開口的圓筒形結(jié)構(gòu)，其底部側(cè)壁設(shè)置有一凸出的光照窗口，反應(yīng)器下半部分同軸且密閉嵌入在圓筒形夾套的內(nèi)部空間中，且反應(yīng)器和夾套之間為中空，反應(yīng)器底部側(cè)壁的光照窗口伸出夾套，且其與夾套的連接處為密閉連接；反應(yīng)器上半部分在夾套外部且在其內(nèi)壁設(shè)置有內(nèi)螺紋；在所述夾套的底部設(shè)置有進水口，頂部設(shè)置出水口；所述旋蓋的外壁表面設(shè)置有外螺紋，且旋蓋壁兩側(cè)分別設(shè)置第一出氣口和第二出氣口，旋蓋通過外螺紋與反應(yīng)器的內(nèi)螺紋配合且密封連接；第一銅電極柱，第二銅電極柱，第三銅電極柱貫穿旋蓋并與旋蓋密封接觸；反應(yīng)器側(cè)壁設(shè)有光照窗口，光照窗口處設(shè)置有密封片，所述密封片通過環(huán)氧樹脂與反應(yīng)器實現(xiàn)密封連接，通過光照窗可以對半導(dǎo)體催化材料施加光照，以實現(xiàn)光催化過程。這樣，便可實現(xiàn)反應(yīng)器的密封以及光照、偏壓的施加，以及通過向夾套的進水口和出水口通入循環(huán)冷凝水可為反應(yīng)系統(tǒng)提供溫度保持和調(diào)節(jié)。

在進行使用時，將反應(yīng)電解液倒入反應(yīng)器中，將工作電極、對比電極和參比電極插入旋蓋中，并將旋蓋與反應(yīng)器通過螺紋連接密封，同時向夾套的進水口和出水口通入循環(huán)冷凝水，再將旋蓋處的出氣口與檢測體系密封連接。在電化學(xué)工作站施加光照和電壓之前，先通過旋蓋處的出氣口用機械真空泵對體系內(nèi)抽真空處理一定時間。反應(yīng)過程中外界光源透過光照窗處的密封片照射到工作電極表面，與玻璃相比，密封片可以減少對入射光的過濾作用，能夠更好地促進反應(yīng)進行；同時外界施加的電壓通過旋蓋上的電極柱傳導(dǎo)至工作電極，促進反應(yīng)的進行。反應(yīng)一定時間之后可通過氣相色譜分析檢測系統(tǒng)對產(chǎn)物氣體進行定量分析檢測。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述第一銅電極柱、第二銅電極柱和第三銅電極柱分別與對電極、參比電極和工作電極連接。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述反應(yīng)器材質(zhì)為玻璃。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述夾套材質(zhì)為玻璃，厚度為10mm--15mm。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述旋蓋材質(zhì)為聚四氟乙烯。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述密封片為透明材質(zhì)，可為石英材質(zhì)或玻璃材質(zhì)，優(yōu)選為石英材質(zhì)(采用石英材質(zhì)，是因為紫外、可見和近紅外光可以很好地透過密封片，減少了玻璃對入射光的過濾作用，更好地促進反應(yīng)的進行)。

本發(fā)明的技術(shù)方案能夠同時提供外加電壓和光照條件，利用密封片的良好透過性，適用于紫外、可見和近紅外光的光電化學(xué)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)體積小巧，溫度可控，實施方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的夾套和光反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的夾套和光反應(yīng)器的俯視效果圖；

圖3是本發(fā)明中的旋蓋示意圖；

圖4是本發(fā)明中的旋蓋的俯視效果圖；

圖5是本發(fā)明的使用狀態(tài)示意圖；

其中1為夾套，2為反應(yīng)器，3為出水口，4為進水口，5為光照窗口，6為密封片，7-1為內(nèi)螺紋，7-2為外螺紋，8為旋蓋，9-1為第一出氣口，9-2為第二出氣口，10-1為第一銅電極柱，10-2為第二銅電極柱，10-3為第三銅電極柱，11為外界光源，12為反應(yīng)電解液，13為工作電極材料，14為參比電極，15為對電極。

具體實施方式