CN101891283B - 一种光电催化电解水的方法和装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光电催化电解水的方法和装置及其应用，通过将原水注入分隔设有光电阳极室和光电阴极室的电解水反应器，并至少在光能量辐照下分解原水为弱碱性水和酸性水；其中光电阳极室内设有光电阳极电极，阳极材料选用的催化剂，其光生电子还原电势负于H⁺还原为H₂的电势，且光生空穴的氧化电势正于OH^-氧化为O₂的电势，而其中光电阴极室设有光电阴极电极，且光能量辐照面向光电阳极电极。通过分别设置的进水口、出水口及排气口，在光能量辐照下电解原水为弱碱性水和酸性水，较之于传统电解水技术，不需要外加电能，也不需要复杂的控制电路，显著改善了光电催化效率。

Description

一种光电催化电解水的方法和装置及其应用

技术领域

本发明具体涉及一种可高效节能地电解水并生成弱碱性水和酸性水的光电催化电解水方法和装置及其应用。该弱碱性水可以饮用，还原身体中自由基，平衡现代人的酸性体质，有助于人体健康；该酸性水可以用于洗涤蔬菜水果或餐具，起到消毒杀菌的作用，也可以用作化妆水使用，起到消毒杀菌和收敛皮肤的作用。属于光辐射应用领域。

背景技术

国际上最新饮用水的健康标准包括：(1)不含有害人体健康的物理性、化学性和生物性污染；(2)含有适量的有益于人体健康，并呈离子状态的矿物质(钾、镁、钙等含量在100mg/L)；(3)水的分子团小，溶解力和渗透力强；(4)应呈现弱碱性(PH值为8～9)；(5)水中含有溶解氧(6mg/L左右)，含有碳酸根离子；(6)可以迅速、有效的清除体内的酸性代谢产物和各种有害物质；(7)水的硬度适度，介于50～200mg/L(以碳酸钙计)。

为了满足以上健康饮用水要求，研究人员相继提出了各种技术途径来实现，如各种膜分离技术获得的纯净水；添加各种矿物质的矿泉水；通过生物频谱处理的活化水；通过电解作用的电解水等。

其中，在以往的电解水技术中，主要是以分离膜为媒介在水中施以直流电压，利用电解板使水分解，既而分离出碱性水与酸性水。即在阴极板处氢离子(H⁺)得到外加电压负极输入的电子发生反应生成氢气，在阳极板处氢氧离子(OH^-)失去电子进入外加电压的正极，发生反应生成氧气。由于水中的钙、镁、钠、钾等矿物质多聚集在阴极，氢氧离子(OH^-)增加而成为碱性水，也称为还原水；氧、硫酸、硫黄等则被引致阳极，增加氢离子(H⁺)而生成酸性水，也称为氧化水。但是，此电解水技术需要外加直流电压，能耗大，不利于节能减排；而且此电解水技术需要比较复杂的控制电路机构，提高了成本，不利于此类产品的普及化。

发明内容

针对现有通过电解制备符合饮用水健康标准的水产品的技术存在的上述能耗大、成本高，不易于普及等缺陷，本发明的目的旨在提出一种光电催化电解水的方法和装置及其应用，以期大量、稳定、低成本地生成弱碱性水和酸性水，满足工业和生活健康用水的要求。

本发明的上述第一个目的，将通过以下方法类技术方案得以实现：

一种光电催化电解水的方法，其特征在于：将原水注入分隔设有光电阳极室和光电阴极室的电解水反应器，至少在光能量辐照下分解原水为弱碱性水和酸性水；其中所述光电阳极室内设有光电阳极电极，所述光电阳极电极为光生电子还原电势负于H⁺还原为H₂的电势，且光生空穴的氧化电势正于OH^-氧化为O₂的电势的催化剂，所述光电阴极室设有光电阴极电极，且所述光能量辐照面向光电阳极电极。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，其中该光电阳极电极的制法为通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、分子束外延沉积法、原子沉积法、溶胶-凝胶或高温烧结法之一的方法在导电基板上沉积催化剂，其中所述催化剂的形态包括多孔结构、微纳米颗粒结构或薄膜结构；所述催化剂为金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物、金属硫氧化物、金属氮氧化物中的一种或多种组合，或上述该些化合物的掺杂或光敏处理物质。

该光电阴极电极的制法为通过物理气相沉积法在导电基板上沉积微纳米颗粒结构或薄膜结构的金属催化材料。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，其中该光电阳极电极上沉积磁性的微纳米催化剂，或该光电阴极电极上沉积磁性的微纳米金属催化材料，或两者同时沉积对应的磁性催化剂和磁性金属催化材料。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，其中该光能量辐照为太阳光，或至少包括汞灯、卤素灯和发光二极管光源的外置人工光源。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，其中该光电阳极电极与光电阴极电极间加入一外置电压，所述外置电压的正极与光电阳极电极相连，且外置电压的负极与光电阴极电极相连。该外置电压为蓄电池、交流市电或太阳能电池中的一种。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，在进行光电催化电解水之前，还包括向原水中添加钾、钠氯化物电解质的工艺流程。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，该电解水反应器采用不透气的离子交换隔膜划分两室，或采用导电基板结合离子交换隔膜划分两室，其中该导电基板为光电阳极电极与光电阴极电极共用。

进一步地，前述一种光电催化电解水的方法，其中该光电阳极电极与光电阴极电极为各自分离的独立电极，或通过导线或导电基板相联接的合成电极，其中光电阳极电极与光电阴极电极沉积于导电基板的两侧。

本发明的上述第二个目的，将通过以下结构性技术方案得以实现：

一种光电催化电解水装置，其特征在于：所述电解水装置主体为一个电解水反应器，所述电解水反应器具有离子交换隔膜以及由所述隔膜分隔的至少一个光电阳极室和光电阴极室，所述光电阳极室与光电阴极室分别安置微纳米颗粒催化修饰的光电阳极电极和光电阴极电极，并且所述光电阳极室与光电阴极室分别各自设有供给原水的进水口、排取弱碱性水或酸性水的出水口，以及顶部排放氧气或氢气的排气口；其中所述光电阳极室正对光电阳极电极的一面为透明壁面，光能量辐照与光电阳极电极相对。

进一步地，前述的一种光电催化电解水装置，其中该光电阳极电极与光电阴极电极合成沉积于导电基板两侧，该导电基板与离子交换隔膜结合为一体，将电解水反应器分隔为两室。

进一步地，前述的一种光电催化电解水装置，其中该电解水装置还包括一个向所述光电阳极电极和光电阴极电极施加电压、促进催化剂电子空穴对分离的电压控制机构，所述电压控制机构的输出连续可调。其中该电压控制机构的电源包括蓄电池、交流市电或太阳能电池中的一种。

进一步地，前述的一种光电催化电解水装置，其中该光能量辐照为太阳光，或至少包括汞灯、卤素灯和发光二极管光源的外置人工光源。

本发明的上述第三个目的“一种光电催化电解水装置的应用”，其特征方案为：将该电解水装置与太阳能热水器或太阳能电池板直接集成为全太阳能弱碱性和酸性热水器装置。

本发明的上述技术方案应用实施后，通过选择合适的催化剂作为光电阳极材料，选择合适的光电阴极材料，并制备成微纳颗粒或相似形态，相比传统电解水技术，不需要外加电能，也不需要复杂的控制电路，显著改善了光电催化效率。其优点具体来看：

第一、增加了光电阳极的光吸收有效面积，提高了光能的吸收功率；

第二、减少了光电阳极上电子空穴的复合几率，从而提高了电解水的能效；

第三、增加了光电阳极和光电阴极对水的接触面积，加快了电解水的速度；

第四、优选的光电阴极材料使得光电阳极上的光生电子更容易到达光电阴极发生还原反应；

第五、特殊微纳米结构的光电阴极及其阴极材料，改善了它们的化学稳定性，大大提高了耐腐蚀性能。

此外，若使用自带光源(如汞灯、卤素灯或发光二极管等)，或在光电阳极电极和光电阴极电极间外加偏置电压加速电子空穴的分离，所使用的电压控制机构相对于传统直流电电解水技术要简单得多，本发明具有绿色环保，节能减排的优点。

附图说明

图1是本发明光电催化电解水方法的生成原理示意简图；

图2是本发明光电催化电解水生成装置实施例二的结构简图；

图3是本发明光电催化电解水生成装置实施例三的结构简图

图4是本发明光电催化电解水生成装置实施例四的结构简图

图5是本发明光电催化电解水生成装置实施例五的结构简图

图6是本发明光电催化电解水生成装置实施例六的结构简图

图7是本发明光电催化电解水生成装置实施例六反应器的结构简图。

具体实施方式

随着自然界中储量最大的光能应用不断深入，利用光电催化电解水方法和装置取得了技术上的突破。分解水虽然存在着一定的热分解阻力，但在光能作用下，从热力学理论角度考虑，分解1个水分子仅需提供1.23eV的能量，对应于～1000nm的红外光。实际上1000nm红外光不能光解水，究其原因是由于太阳能光解水反应过程中存在较大的动力学阻力。不过可以通过特定催化剂来克服这种阻力实现水的光催化分解。光催化剂受到能量等于或大于其能隙的光辐射后分别产生具有一定的还原能力和氧化能力的电子与空穴，水分子所电离的H⁺与OH^-分别与光电阴极的电子和光电阳极的空穴反应生成H₂和O₂，从而在光电阳极和光电阴极处分别产生酸性水和弱碱性水。该弱碱性水可以饮用或沐浴，起到保健作用；该酸性水可以用于清洗，起到消毒杀菌的作用。

但是，并非所有能被光激发产生电子和空穴的催化剂都能实现水的分解，催化剂的光生电子还原电势必须负于H⁺还原为H₂的电势，光生空穴的氧化电势必须正于OH^-氧化为O₂的电势。关键是选择使水快速分解的高催化活性催化材料。为此，本发明提出了一种光电催化电解水的方法及其装置，通过选择合适的催化剂作为光电阳极材料，选择合适的光电阴极材料，并制备成微纳颗粒或相似形态，相比传统电解水技术，不需要外加电能，也不需要复杂的控制电路，显著改善了光电催化效率。

从方法来看，该种光电催化电解水的方法，是先将原水注入分隔设有光电阳极室和光电阴极室的电解水反应器，至少在光能量辐照下分解原水为弱碱性水和酸性水；其中光电阳极室内设有光电阳极电极，光电阳极电极为光生电子还原电势负于H⁺还原为H₂的电势，且光生空穴的氧化电势正于OH^-氧化为O₂的电势的催化剂，光电阴极室设有光电阴极电极，且光能量辐照面向光电阳极电极。其中，

该光电阳极电极的制法为通过物理气相沉积法(如：热蒸发沉积、电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积)、化学气相沉积法(等离子体增强化学气相沉积、常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积)、分子束外延沉积法、原子沉积法、溶胶-凝胶或高温烧结法之一的方法在导电基板上沉积催化剂，其中所述催化剂的形态包括多孔结构、微纳米颗粒结构或薄膜结构；所述催化剂为金属氧化物(如氧化钛、氧化锌、氧化铁、氧化钨、氧化钽、氧化钒、氧化铌、氧化钼、氧化锆、氧化铈、氧化镉、氧化铜、氧化银、氧化铅、氧化铋、氧化铌钾、氧化铌钙、氧化锗)、金属氮化物(如氮化镓铟、氮化锗)、金属硫化物(硫化镉、硫化锌、硫化钼、硫化钨)、金属硫氧化物(硫氧钛钐、硫氧镐钐)、金属氮氧化物(氮氧镓锌、氮氧铟锌、氮氧镓镉)中的一种或多种组合，或上述该些化合物的掺杂或光敏处理物质(掺杂金属或非金属元素，改变能带结构)。

该光电阴极电极的制法为通过物理气相沉积法在导电基板上沉积微纳米颗粒结构或薄膜结构的金属催化材料，包括铂、钛、钛合金、钯、铁、铝、镐、银、金、铝合金、镍、铜、锌。

该光电阳极电极上沉积磁性的微纳米催化剂，或该光电阴极电极上沉积磁性的微纳米金属催化材料，或两者同时沉积对应的磁性催化剂和磁性金属催化材料。

该光能量辐照为太阳光，或至少包括汞灯、卤素灯和发光二极管光源的外置人工光源。

该光电阳极电极与光电阴极电极间加入一外置电压，所述外置电压的正极与光电阳极电极相连，且外置电压的负极与光电阴极电极相连。该外置电压为蓄电池、交流市电或太阳能电池中的一种。

另外，在进行光电催化电解水之前，还包括向原水中添加钾、钠氯化物电解质的工艺流程。

该电解水反应器采用不透气的离子交换隔膜划分两室，或采用导电基板结合离子交换隔膜划分两室，其中该导电基板为光电阳极电极与光电阴极电极共用，导电基板材料为铂、钛、钛合金、钯、铁、铝、镐、银、金、铝合金、镍、铜、锌。

该光电阳极电极与光电阴极电极为各自分离的独立电极，或通过导线或导电基板相联接的合成电极，其中光电阳极电极与光电阴极电极沉积于导电基板的两侧。

实施例一

如图1所示的本发明光电催化电解水的方法生成原理示意简图。可见本发明的光电催化电解水生成装置由如下的部分组成。在电解水反应器1中设置隔板2，将电解水反应器1分割成光电阳极室3和光电阴极室4，在光电阳极室3和光电阴极室4中分别放置催化材质且具有微纳米结构的光电阳极电极5和光电阴极电极6(电极形状可以是各种形状：如典型的片状或圆柱状等)，从进水口7和8分别向光电阳极室3和光电阴极室4供给原水(自来水或饮用水)，流量调节器9、10分别控制进水口7和8的原水流速，太阳光11从光电阳极室3透光侧辐照到光电阳极电极5面上，在光电阳极室3和光电阴极室4中发生光电催化反应，分别生成氧气和氢气，并分别从出气口12、13排出，弱碱性水和酸性水分别从出水口14、15取出，流量调节器16、17分别控制出水口14和15的电解水流速，导线18连接光电阳极纳米电极5和光电阴极纳米电极6。

实施例二

如图2所示为本发明的光电催化电解水生成装置的实施例二的结构简图。在以图1所示的最佳实施例(实施例一)的基础上(相同部件采用同样的标记)，在光电阳极电极5和光电阴极电极6上设置一直流电源101，电源的正极接光电阳极，负极接光电阴极，电压在50V以下。该电源可以是家用220V交流电经变压器整流而成，或者是干电池或蓄电池，或者是太阳能电池，其它部件与作用同最佳的实施例，故不再赘述。通过在两电极外加偏置电压，提高了催化材料电子空穴的分离速度，以便进一步提高光电解原水的能效。

实施例三

如图3所示为本发明的光电催化电解水生成装置的实施例三的结构简图。在以图1所示的最佳实施例的基础上(相同部件采用同样的标记)，使用合成电极201(即光电阳极电极和光电阴极电极集成沉积在一块导电基板上)与离子交换膜202的组合取代隔板2，其它部件与作用同最佳的实施例，故不再赘述。

实施例四

如图4所示为本发明的光电催化电解水生成装置的实施例四的结构简图。在以图1所示的最佳实施例的基础上(相同部件采用同样的标记)，使用自带光源(汞灯、卤素灯或发光二极管)301取代太阳光11，其它部件与作用同最佳的实施例，故省略说明。

实施例五

如图5所示为本发明的光电催化电解水生成装置的实施例五的结构简图。在以图2所示的第1实施例的基础上(相同部件采用同样的标记)，选用太阳能电池101，在太阳光11的辐照下提供两电极间的偏置电压。其它部件与作用同最佳的实施例，故省去说明，并将此系统通过一接口部件401与传统的太阳能热水器402集成在一起，形成一个全太阳能弱碱性水和酸性水热水器。

实施例六

如图6所示为本发明的光电催化电解水生成装置的实施例六的结构简图。在以图1所示的最佳实施例的基础上(相同部件采用同样的标记)，其它部件与作用同最佳的实施例，故省去说明，501与502分别为光电解反应器原水进水口和流量控制器(光电阳极室和光电阴极室共用一个进水口)，503是螺旋状光电解反应器，具体结构如图7所示，此装置可以直接安装在自来水龙头上，即原水进水口501与水龙头直接连接。如图7所示，螺旋状的光电解反应器503中任意一段503-1是圆柱状光源，典型光源是使用发光二极管制作，且集成光电电极503-2是圆环柱状结构，内侧是光电阳极电极，外侧是光电阴极电极，光电解反应器503具有起保护作用的外壁503-3，其中503-1与503-2间的中空环状水柱流出的是酸性水，连接酸性出水口15，503-2与503-3间的中空环状水柱流出的是弱碱性水水，连接弱碱性出水口14。

以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的几个实施例详细描述，旨在凸显本发明提供的方法和装置对改善光电催化电解原水生成弱碱性水和酸性水的效率具有的提升效果。对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光电催化电解水装置，其特征在于：所述电解水装置主体为一个电解水反应器，所述电解水反应器具有离子交换隔膜以及由所述隔膜分隔的至少一个光电阳极室和光电阴极室，所述光电阳极室与光电阴极室分别安置微纳米颗粒催化修饰的光电阳极电极和光电阴极电极，并且所述光电阳极室与光电阴极室分别各自设有供给原水的进水口、排取弱碱性水或酸性水的出水口，以及顶部排放氧气或氢气的排气口；其中所述光电阳极室正对光电阳极电极的一面为透明壁面，光能量辐照与光电阳极电极相对。

2.根据权利要求１所述的一种光电催化电解水装置，其特征在于：所述光电阳极电极与光电阴极电极合成沉积于导电基板两侧，所述导电基板与离子交换隔膜结合为一体，将电解水反应器分隔为两室。

3.根据权利要求1所述的一种光电催化电解水装置，其特征在于：所述电解水装置还包括一个向所述光电阳极电极和光电阴极电极施加电压、促进催化剂电子空穴对分离的电压控制机构，所述电压控制机构的输出连续可调。

4.根据权利要求3所述的一种光电催化电解水装置，其特征在于：所述电压控制机构的电源包括蓄电池、交流市电或太阳能电池中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种光电催化电解水装置，其特征在于：所述光能量辐照为太阳光，或至少包括汞灯、卤素灯和发光二极管光源的外置人工光源。

6.权利要求１所述的一种光电催化电解水装置的应用，其特征在于：所述电解水装置与太阳能热水器或太阳能电池板直接集成为全太阳能弱碱性和酸性热水器装置。

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