[發明專利]等離子體增強光催化制氫

在審

• 申請號: 201811031823.5
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN108946660A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 吳波
• 申請（專利權）人: 吳波
• 主分類號: C01B3/04
• 分類號: C01B3/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種新型制氫技術，等離子體增強光催化制氫，該技術的設備結構與組成、工藝參數及其應用。該技術的設備結構特征為由表面為光催化材料涂層的電極，以及其放電環境；該技術的工藝特征為：兩個電極（其中1個電極表面存在光催化涂層）之間產生等離子體，促進電極表面的光催化材料的光催化制氫能力，具體工作壓強可以是一定真空到數十大氣壓，工作容器內可以只有氣體、也可以存在水溶液，工作電壓從數百伏到上萬伏、以產生等離子體為目的，電極間距從小于1mm到密閉容器極限空間大。

本發明涉及將等離子體技術與光催化制氫技術結合實現等離子體增強光催化制氫，尤其是該等離子體增強光催化制氫方法的設備結構、工藝特征及其應用領域。

背景技術

氫氣是重要的能源材料和工業氣體原料，具有廣泛應用，如，作為火箭發射的能源材料，應用于航天領域；是石油煉化、合成氨等化工領域的關鍵原料；冶金行業還原金屬的重要還原劑；半導體、太陽能等新興行業生產過程中的中間氣體等。

當前工業制氫的主要方法為天然氣裂解、電解水制氫、水煤氣提純氫等，這些方法均采用能源材料作為原材料，或者消耗大量的電能。隨著工業發展，一次性能源越來越少，變得昂貴、緊張，新型制氫技術變得極為迫切。

當前受到高度關注、具有重大規模化應用前景的新型制氫技術為光催化制氫，由于不消耗一次能源，是將水分解制氫，生產和使用均不存在任何污染，得到越來越多的研究，并正在走向工業化。

當前制約光催化制氫應用的關鍵問題有：光轉換效率低、不容易實現規模化生產、生產效率有待提高，和生產成本需要進一步降低等。

本發明專利，將等離子體技術與光催化制氫技術相結合，實現等離子體增強光催化制氫，有效的提高了生產效率、生產規模、降低生產成本以及提高光轉換效率，為實現工業生產、應用提供了新的解決方案。

發明內容

本發明提出了等離子體技術與光催化制氫技術結合形成一種新型的等離子體增強光催化制氫方法，尤其是該方法所涉及的設備結構、工藝特征及其應用。

本發明等離子體增強光催化制氫技術的結構特征如附圖 1 所示，由下列部分組成：反應容器1，容器1 內的等離子體電極2 和3，容器底部的水溶液4，等離子體電源5，電源與電極之間的連線6，水蒸氣等工作氣體輸入系統7，抽真空系統8，增壓系統9，氫氣收集系統10。

本發明中的電極 1 或者2 表面，存在光催化涂層TiO2，或者為摻雜、表面改性后的TiO2涂層，或者其他具有光伏效應的半導體材料涂層，如CdS、SnO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、WO3、MoSi2 等。該光催化涂層在存在外光源或者在等離子體激發下，產生光催化分解水的作用。

等離子體增強光催化制氫技術的工藝過程為，電極 1、2 之間產生等離子體，促進電極1或者2 表面的光催化材料的光催化制氫能力，使得電極周圍的水或者水蒸氣分解產生氫氣，并由氫氣收集系統10 收集。

等離子體增強光催化制氫過程中，工作壓強可以是一定真空到數十大氣壓，工作容器內可以只有氣體、也可以存在水溶液，工作電壓從數百伏到上萬伏、以產生等離子體為目的，電極間距從小于1mm 到密閉容器極限空間大。

在工作壓強小于 1 個大氣壓的條件下，容器1 內不存在水溶液4，不需要增壓系統9，具體結構示意圖如附圖2。在此工作條件下，電極1 或者2 為金屬電極，另一電極表面存在光催化涂層。

在工作壓強為常壓或者高壓時，容器內可以存在水溶液，一般不需要真空系統 8和工作氣體輸入系統7，通過增壓系統9 實現工作氣體輸入，如附圖3。此時，存在光催化涂層的電極3 位于水溶液中，另一金屬電極2 利用陶瓷、玻璃、或者聚四氟等高分子絕緣材料包裹，防止放電過程中被擊穿，損壞電源。此時的等離子體電源可以是直流、交流、脈沖等不同輸出形式的高壓電源。