CN102502487A

CN102502487A - 等离子体增强光催化制氢

Info

Publication number: CN102502487A
Application number: CN2011103278424A
Authority: CN
Inventors: 杨武保; 吴波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种新型制氢技术，等离子体增强光催化制氢，该技术的设备结构与组成、工艺参数及其应用。该技术的设备结构特征为由表面为光催化材料涂层的电极，以及其放电环境；该技术的工艺特征为：两个电极(其中1个电极表面存在光催化涂层)之间产生等离子体，促进电极表面的光催化材料的光催化制氢能力，具体工作压强可以是一定真空到数十大气压，工作容器内可以只有气体、也可以存在水溶液，工作电压从数百伏到上万伏、以产生等离子体为目的，电极间距从小于1mm到密闭容器极限空间大。

Description

等离子体增强光催化制氢

技术领域

本发明涉及将等离子体技术与光催化制氢技术结合实现等离子体增强光催化制氢，尤其是该等离子体增强光催化制氢方法的设备结构、工艺特征及其应用领域。

背景技术

氢气是重要的能源材料和工业气体原料，具有广泛应用，如，作为火箭发射的能源材料，应用于航天领域；是石油炼化、合成氨等化工领域的关键原料；冶金行业还原金属的重要还原剂；半导体、太阳能等新兴行业生产过程中的中间气体等。

当前工业制氢的主要方法为天然气裂解、电解水制氢、水煤气提纯氢等，这些方法均采用能源材料作为原材料，或者消耗大量的电能。随着工业发展，一次性能源越来越少，变得昂贵、紧张，新型制氢技术变得极为迫切。

当前受到高度关注、具有重大规模化应用前景的新型制氢技术为光催化制氢，由于不消耗一次能源，是将水分解制氢，生产和使用均不存在任何污染，得到越来越多的研究，并正在走向工业化。

当前制约光催化制氢应用的关键问题有：光转换效率低、不容易实现规模化生产、生产效率有待提高，和生产成本需要进一步降低等。

本发明专利，将等离子体技术与光催化制氢技术相结合，实现等离子体增强光催化制氢，有效的提高了生产效率、生产规模、降低生产成本以及提高光转换效率，为实现工业生产、应用提供了新的解决方案。

发明内容

本发明提出了等离子体技术与光催化制氢技术结合形成一种新型的等离子体增强光催化制氢方法，尤其是该方法所涉及的设备结构、工艺特征及其应用。

本发明等离子体增强光催化制氢技术的结构特征如附图1所示，由下列部分组成：反应容器1，容器1内的等离子体电极2和3，容器底部的水溶液4，等离子体电源5，电源与电极之间的连线6，水蒸气等工作气体输入系统7，抽真空系统8，增压系统9，氢气收集系统10。

本发明中的电极1或者2表面，存在光催化涂层TiO2，或者为掺杂、表面改性后的TiO2涂层，或者其他具有光伏效应的半导体材料涂层，如CdS、SnO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、WO3、MoSi2等。该光催化涂层在存在外光源或者在等离子体激发下，产生光催化分解水的作用。

等离子体增强光催化制氢技术的工艺过程为，电极1、2之间产生等离子体，促进电极1或者2表面的光催化材料的光催化制氢能力，使得电极周围的水或者水蒸气分解产生氢气，并由氢气收集系统10收集。

等离子体增强光催化制氢过程中，工作压强可以是一定真空到数十大气压，工作容器内可以只有气体、也可以存在水溶液，工作电压从数百伏到上万伏、以产生等离子体为目的，电极间距从小于1mm到密闭容器极限空间大。

在工作压强小于1个大气压的条件下，容器1内不存在水溶液4，不需要增压系统9，具体结构示意图如附图2。在此工作条件下，电极1或者2为金属电极，另一电极表面存在光催化涂层。

在工作压强为常压或者高压时，容器内可以存在水溶液，一般不需要真空系统8和工作气体输入系统7，通过增压系统9实现工作气体输入，如附图3。此时，存在光催化涂层的电极3位于水溶液中，另一金属电极2利用陶瓷、玻璃、或者聚四氟等高分子绝缘材料包裹，防止放电过程中被击穿，损坏电源。此时的等离子体电源可以是直流、交流、脉冲等不同输出形式的高压电源。

等离子体增强光催化制氢过程中，表面存在光催化涂层的电极能够被容器外的光线完全照射，即光线到达电极的需要经过的容器1的部分，为透光材料制造；如果没有光催化涂层的电极影响到光线通过，则该电极需要为点状、网状或者线状结构。光催化涂层电极的形状一般为平面，根据实际需要也可以是球形等曲面形式，或者网状结构等。

所有上述等离子体、光催化结构与组成形式的具体制氢设备、工艺及其应用均为本发明的专利保护内容。

附图说明：

图1、等离子体增强光催化制氢设备结构与组成示意图1

图中，1：工作容器；2、3：工作电极；4：水溶液；5：等离子体电源；6：电线；7：气体输入系统；8：抽真空系统；9：增压系统；10：氢气收集系统

图2、等离子体增强光催化制氢设备与组成结构示意图2(工作压强小于1个大气压)

图中，1：工作容器；2、3：工作电极；5：等离子体电源；6：电线；7：气体输入系统；8：抽真空系统；10：氢气收集系统

图3、等离子体增强光催化制氢设备结构与组成示意图3(工作压强不小于1个大气压)

图中，1：工作容器；2、3：工作电极；4：水溶液；5：等离子体电源；6：电线；9：增压系统；10：氢气收集系统

实施例：

利用玻璃容器作为工作容器1；玻璃容器侧面有玻璃法兰，将机械真空泵通过橡皮气管接在此法兰上，作为抽真空系统；玻璃容器顶部有开口，可以利用胶皮塞密封，在胶皮塞上加装电极2、3，电极外与直流电源连接，容器内电极上分别接Ti片和表面被氧化、形成致密TiO2膜的Ti片，分别作为放电电极2、3；在胶皮塞还开有一小口，装有玻璃管，玻璃管利用气管通过气体流量计与水蒸气连接，构成工作气体输入系统7；在机械泵排气口，装有气管与氢气收集系统相连，排出的气体被收集，并将其中的氢气分离出来收集，构成氢气收集系统10。

工作过程中，首先开真空泵，将容器内的气体排空；接着通入工作气体水蒸气，同时开等离子体电源，在电极之间产生等离子体；标准光源直接照射在作为正电极的表面存在TiO2涂层的Ti电极；将从真空泵排出的气体收集、分离；得到氢气。

Claims

1.本专利涉及一种新型等离子体增强光催化制氢技术，尤其是该技术中的设备结构组成、工艺特征及其应用。

2.如权利1所示，所涉及到的制氢技术特征为等离子体增强光催化反应制氢。

3.如权利1所示，所涉及到的等离子体增强光催化反应制氢设备由下列系统组成：反应器、工作电极、等离子体电源、工作原料(水溶液、水蒸气等)输入及增压系统、抽真空系统、氢气收集系统。其中的核心部分为反应器、工作电极及电源、氢气收集等，其余系统根据实际情况选用。

4.如权利1所示，设备组成中所涉及的电极2或者3表面，存在光催化涂层TiO2，或者为掺杂、表面改性后的TiO2涂层，或者其他具有光伏效应的半导体材料涂层，如CdS、SnO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、WO3、MoSi2等。该光催化涂层在存在外光源或者在等离子体激发下，产生光催化分解水的作用。

5.如权利1所示，没有光催化涂层的电极，可以是任何金属，或者利用陶瓷、玻璃、或者聚四氟等高分子绝缘材料包裹的金属。电极形状可以是平面、点状、网状、线状等各种不同形式。

6.如权利1所示，本发明等离子体增强光催化制氢技术的工艺过程为，电极2、3之间产生等离子体，促进电极2或者3表面的光催化材料的光催化制氢能力，使得电极周围的水或者水蒸气分解产生氢气，并由氢气收集系统10收集。主要工艺条件为，工作压强可以是一定真空到数十大气压，工作容器内可以只有气体、也可以存在水溶液，工作电压从数百伏到上万伏、以产生等离子体为目的，电极间距从小于1mm到密闭容器极限空间大。

7.如权利1所示，所提到的的等离子体电源可以是直流、交流、脉冲等不同输出形式的高压电源。

8.如权利1所示，外光源的光到达光催化涂层电极经过的反应器部分，为透光材料制造。

9.所有上述等离子体、光催化结构形式的具体制氢设备、工艺及其应用均为本发明的专利保护内容。