CN102534645A - 一种光催化辅助电解水制氢的方法 - Google Patents

一种光催化辅助电解水制氢的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102534645A
CN102534645A CN2012100225631A CN201210022563A CN102534645A CN 102534645 A CN102534645 A CN 102534645A CN 2012100225631 A CN2012100225631 A CN 2012100225631A CN 201210022563 A CN201210022563 A CN 201210022563A CN 102534645 A CN102534645 A CN 102534645A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen
modified
water
photochemical catalysis
hydrogen manufacturing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012100225631A
Other languages
English (en)
Inventor
常明
何洪波
董海军
曾炽涛
陈爱平
王毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WUXI DIFAN LEIPU HIGH-NEW MATERIALS CO LTD
East China University of Science and Technology
Original Assignee
WUXI DIFAN LEIPU HIGH-NEW MATERIALS CO LTD
East China University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WUXI DIFAN LEIPU HIGH-NEW MATERIALS CO LTD, East China University of Science and Technology filed Critical WUXI DIFAN LEIPU HIGH-NEW MATERIALS CO LTD
Priority to CN2012100225631A priority Critical patent/CN102534645A/zh
Publication of CN102534645A publication Critical patent/CN102534645A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

本发明涉及一种光催化辅助电解水制氢的方法，具体步骤为，以工业化的电解水制氢装置为基础，通过光催化材料对电解池阳极进行修饰，并采用光源辐照阳极，在电解水的过程中耦合光催化过程，实现光催化辅助电解水制氢。本发明的特点：将光催化与电解水有机地耦合在一起，产生协同效应，克服光解水制氢效率低和电解水制氢电耗高的缺点，具有降低电解池电压和提高产氢效率的效果。本发明提出的光催化辅助电解水制氢方法，过程简单，易于实现工业化。

Description

一种光催化辅助电解水制氢的方法
【技术领域】
本发明属于能源、汽车等领域具体地说，是一种制备氢气的方法，具体地说，是光催化辅助电解水制氢的方法。
【背景技术】
能源和环境是人类面临的两大挑战。氢能具有高效、清洁、易储存和易输运等特点，被普遍推崇为最适当的能源载体。氢气是二次能源，目前获取氢气的原料主要有化石燃料、生物质和水等。即使以较为理想的转化方式从化石能源和生物质能源制备氢气，不计产生的其它有害副产物，仅从化学计量学分析，必然产生大量的温室效应气体CO2，据估算每生产1m3氢气，将产生0.3-0.4m3的CO2，给环境造成极大的压力。而分解水制氢的产物只有氢气和氧气，氢气作为燃料时的产物又只是水，因此分解水制氢是一个对自然界没有任何不利影响的理想的能源生产和使用的环境友好技术。
分解水制氢是热力学上不能自发进行的上坡反应，要实现水的分解必须额外地供给能量。热、电和光是常见的能量形式，目前已实际应用的分解水制氢技术是电解水制氢。在电解水所消耗的电能中，析氢和析氧过电位大约占槽电压的1/3，相当一部分电能耗费在克服电极过电位特别是阳极的过电位上。因此提高阳极的活性，降低析氧过电位是提高析氢效率的关键。
电解水制氢是一种成熟技术，工业应用已有80余年的历程，全球约有300多座电解水制氢工厂在生产运行，制得的氢气约占总氢产量的5％，电解水技术存在的根本问题是电耗高。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光催化辅助电解水制氢的方法。
本发明提出的光催化辅助电解水制氢方法，以工业电解水为基础，借助电解池施加的较高的直流电压，把光生电子从阳极即时导向阴极，实现了光生电子与空穴的即时分离，极大地提高了光解水的效率，同时通过对阳极的光催化活化，提高了阳极的活性，降低阳极的析氧过电位，将光催化制氢与电解水制氢有机地耦合在一起，既能提高过程的产氢效率，又能降低电解水的电耗；是将太阳光直接转化为化学能(氢能)的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种光催化辅助电解水制氢的方法，具体步骤为，
以工业化的电解水制氢装置为基础，通过光催化材料对电解池(或称电解槽)阳极进行修饰，并采用光源辐照阳极，在电解水的过程中耦合光催化过程，实现光催化辅助电解水制氢；
所述的工业化电解水制氢装置，为固体聚合物电解池、固体氧化物电解池等。
所述的对阳极修饰的光催化材料为贵金属改性的光催化材料，过渡金属离子掺杂的光催化材料，半导体光催化材料或者光敏化剂修饰的光催化剂；
所述的对阳极修饰的光催化材料为贵金属改性的光催化材料，贵金属是Ag、Pt、Pd、Au等中的一种或一种以上的组合物。
所述的对阳极修饰的光催化材料为过渡金属离子掺杂的光催化材料，过渡金属离子是Mo5+、Co2+、V4+、Re5+、稀土元素的离子等中的一种或一种以上的组合物。
所述的对阳极修饰的光催化材料为半导体光催化材料，半导体光催化材料是TiO2、CdS、CdSe、SnO2、WO3等中的一种或一种以上的复合物。
所述的对阳极修饰的光催化材料为光敏化剂修饰的光催化剂，光敏化剂是联吡啶钌配合物、酞菁、卟啭、天然色索等。
所述的光源，可以是紫外光、可见光、太阳光等。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明将电解水与光解水耦合在一起，降低电解池电压和提高析氢效率；提供一种新的制备氢气的方法，即光催化辅助电解水制氢。
与光催化制氢过程的区别在于，借助于电解池(槽)的直流电压使阳极上的光生电子与空穴能即时分离，极大地减少了光生载流子的复合几率，提高了光催化的量子效率。与光电化学制氢方法的区别在于，现有的光电化学制氢方法以光催化分解水制氢为基础，施加小的偏压(一般低于1v)，这个偏压比电解水需要的直流电压低得多(本发明的直流电压高于1.5v)，虽然比单纯的光解水制氢效率显著提高了，但还是远不能满足实际应用的要求。与传统的电解水制氢不同之处在于，阳极上的光催化剂能吸收光子的能量，产生强氧化性的空穴，促进了阳极氧气的释放过程，增加阳极活性，降低阳极析氧过电位，阳极产生的光生电子在电解池电压的作用下，及时迁移到阴极，促进了氢气释放过程。通过本发明的方法将光解水制氢与电解水制氢有机地耦合在一起，产生协同效应，既加快了产氢速率，又能降低传统电解池所需的电压，到达降低电解水制氢的电耗和提高产氢效率的目的。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种光催化辅助电解水制氢的方法的具体实施方式。
实施例1
以RuO2为阳极，Pt为阴极，Nifon质子交换膜，纯水与异丙醇为电解液构造同体聚合物电解槽(SPE)，并以此同体聚合物电解槽为基础，采用等离子溅射技术在RuO2的阳极方表面溅射一层金属Ti，并采用阳极氧化法在溅射后的阳极表面得到了一层TiO2纳米管阵列薄膜，通过浸渍H2PtCl6和水合肼还原的方法在TiO2纳米管阵列表面沉积贵金属Pt，实现了对RuO2阳极的修饰，并以此作为光催化辅助电解水制氢的阳极，通过紫外光辐照阳极，构建本发明的光催化辅助电解水制氢的试验装置。通以1.6v直流电压，并采用紫外光源辐照光催化材料修饰的阳极，实现光催化辅助电解水制氢的过程。产氢量用气相色谱仪分析，通过光电耦合机制，结果发现与无光照的传统固体聚合物电解水制氢相比，电耗降低了34％，产氢效率提高了3.7倍。
实施例2
以Ni-YSZ多孔金属陶瓷材料为阴极，LSM为阳极，ZrO为固体氧化物电解质，纯水与三乙醇胺为电解液，LaCrO3材料为连接体构造同体氧化物电解槽，并以此固体氧化物电解槽为基础，通过太阳光辐照阳极构建光催化辅助电解水制氢试验装置。将CdS-TiO2复合半导体光催化剂涂覆在LSM阳极上，并用伊红-Y有机染料敏化CdS-TiO2复合半导体光催化剂，以有机染料敏化的CdS-TiO2复合半导体光催化剂修饰的LSM作为光催化辅助电解水制氢的阳极，通以1.3v直流电压，并采用太阳光辐照修饰后的阳极，实现光催化辅助电解水制氢的过程。产氢量用气相色谱仪分析，通过光电耦合机制，结果发现与阳极无光照的传统固体氧化物电解水制氢相比，电耗降低了30％，产氢效率提高了3.3倍。
本发明将光催化与电解水有机地耦合在一起，产生协同效应，克服光解水制氢效率低和电解水制氢电耗高的缺点，具有降低电解池电压和提高产氢效率的效果。本发明提出的光催化辅助电解水制氢方法，过程简单，易于实现工业化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，其具体步骤为，
以工业化的电解水制氢装置为基础，通过光催化材料对电解池阳极进行修饰，并采用光源辐照阳极，在电解水的过程中耦合光催化过程，实现光催化辅助电解水制氢。
2.如权利要求1所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的工业化电解水制氢装置，为同体聚合物电解池或者同体氧化物电解池。
3.如权利要求1所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的对阳极修饰的光催化材料为贵金属改性的光催化材料，过渡金属离子掺杂的光催化材料，半导体光催化材料或者光敏化剂修饰的光催化剂。
4.如权利要求3所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的对阳极修饰的光催化材料为贵金属改性的光催化材料，贵金属为Ag、Pt、Pd、Au中的一种或一种以上的组合物。
5.如权利要求3所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的对阳极修饰的光催化材料为过渡金属离子掺杂的光催化材料，过渡金属离子为Mo5+、Co2+、V4+、Re5+、稀土元素的离子中的一种或一种以上的组合物。
6.如权利要求3所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的对阳极修饰的光催化材料为半导体光催化材料，半导体光催化材料为TiO2、CdS、CdSe、SnO2、WO3中的一种或一种以上的复合物。
7.如权利要求3所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的对阳极修饰的光催化材料为光敏化剂修饰的光催化剂，光敏化剂为联吡啶钌配合物、酞菁、卟啭、天然色素中的一种或一种以上的复合物。
8.如权利要求1所述的一种光催化辅助电解水制氢的方法，其特征在于，所述的光源为紫外光、可见光或者太阳光。
CN2012100225631A 2012-02-01 2012-02-01 一种光催化辅助电解水制氢的方法 Pending CN102534645A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012100225631A CN102534645A (zh) 2012-02-01 2012-02-01 一种光催化辅助电解水制氢的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012100225631A CN102534645A (zh) 2012-02-01 2012-02-01 一种光催化辅助电解水制氢的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102534645A true CN102534645A (zh) 2012-07-04

Family

ID=46342633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012100225631A Pending CN102534645A (zh) 2012-02-01 2012-02-01 一种光催化辅助电解水制氢的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102534645A (zh)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103354283A (zh) * 2013-06-27 2013-10-16 天津大学 金纳米粒子修饰树枝状二氧化钛纳米棒阵列电极及其制备方法和光电解水制氢应用
CN103352234A (zh) * 2013-07-31 2013-10-16 孙誉宁 一种制氢制氧系统
CN105562093A (zh) * 2015-12-22 2016-05-11 苏州大学 光催化剂及其制备方法、光催化分解水制氢催化剂及其制备方法与氢气的制备方法
CN106563813A (zh) * 2016-10-27 2017-04-19 中国科学技术大学先进技术研究院 一种Ag‑CoSe 2纳米带及其制备方法和用途
CN107012474A (zh) * 2016-01-28 2017-08-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种规模化太阳能光催化-光电催化分解水制氢的方法
TWI621593B (zh) * 2016-06-27 2018-04-21 南臺科技大學 光電化學反應系統
WO2018076886A1 (zh) 2016-10-26 2018-05-03 中盈长江国际新能源投资有限公司 光补电电解水制氢微电极光纤、光缆及制氢装置
CN108842159A (zh) * 2018-06-19 2018-11-20 上海师范大学 一种具有高产氢活性的硫化镉纳米线和碳纳米管复合柔性电极的制备方法及应用
CN111412380A (zh) * 2020-03-27 2020-07-14 东南大学 一种氢气制、储、用及运输一体系统
CN111690970A (zh) * 2020-06-10 2020-09-22 上海宝敦金属表面处理厂(普通合伙) 一种阀体局部阳极氧化方法
CN112547125A (zh) * 2020-12-09 2021-03-26 江南大学 一种可用于光解水的CdS/NiPc光催化剂及其制备方法
CN113952908A (zh) * 2021-10-08 2022-01-21 浙江高晟光热发电技术研究院有限公司 一种光催化制氢装置及制氢系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4061555A (en) * 1977-01-19 1977-12-06 Rca Corporation Water photolysis apparatus
US20030228727A1 (en) * 2002-05-07 2003-12-11 Guerra John Michael Stress-induced bandgap-shifted semiconductor photoelectrolytic/photocatalytic/photovoltaic surface and method for making same
US20050205128A1 (en) * 2002-11-25 2005-09-22 The University Of Toledo Integrated photoelectrochemical cell and system having a solid polymer electrolyte
JP2006134767A (ja) * 2004-11-08 2006-05-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体酸化物形燃料電池システム
CN101187039A (zh) * 2006-09-13 2008-05-28 三洋电机株式会社 电解用电极及使用了它的电解方法以及使用了它的电解装置
CN101575713A (zh) * 2009-06-19 2009-11-11 新奥科技发展有限公司 用于光电化学分解水制氢的光阳极及其制备方法
CN101629300A (zh) * 2009-05-21 2010-01-20 中国科学院广州能源研究所 一种光催化燃料电池分解水直接分离制氢的方法
CN102226284A (zh) * 2011-06-02 2011-10-26 厦门大学 钯量子点修饰二氧化钛纳米管阵列光电解水制氢的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4061555A (en) * 1977-01-19 1977-12-06 Rca Corporation Water photolysis apparatus
US20030228727A1 (en) * 2002-05-07 2003-12-11 Guerra John Michael Stress-induced bandgap-shifted semiconductor photoelectrolytic/photocatalytic/photovoltaic surface and method for making same
US20050205128A1 (en) * 2002-11-25 2005-09-22 The University Of Toledo Integrated photoelectrochemical cell and system having a solid polymer electrolyte
JP2006134767A (ja) * 2004-11-08 2006-05-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体酸化物形燃料電池システム
CN101187039A (zh) * 2006-09-13 2008-05-28 三洋电机株式会社 电解用电极及使用了它的电解方法以及使用了它的电解装置
CN101629300A (zh) * 2009-05-21 2010-01-20 中国科学院广州能源研究所 一种光催化燃料电池分解水直接分离制氢的方法
CN101575713A (zh) * 2009-06-19 2009-11-11 新奥科技发展有限公司 用于光电化学分解水制氢的光阳极及其制备方法
CN102226284A (zh) * 2011-06-02 2011-10-26 厦门大学 钯量子点修饰二氧化钛纳米管阵列光电解水制氢的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张建斌等: ""太阳能光解水制氢催化剂研究进展"", 《广东化工》, vol. 38, no. 10, 25 October 2011 (2011-10-25), pages 67 - 68 *
陈爱平等: "光催化辅助电解水制氢研究", 《颗粒学最新进展研讨会-暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会》, 5 November 2011 (2011-11-05), pages 312 - 314 *

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103354283A (zh) * 2013-06-27 2013-10-16 天津大学 金纳米粒子修饰树枝状二氧化钛纳米棒阵列电极及其制备方法和光电解水制氢应用
CN103352234A (zh) * 2013-07-31 2013-10-16 孙誉宁 一种制氢制氧系统
CN103352234B (zh) * 2013-07-31 2016-09-14 孙誉宁 一种制氢制氧系统
CN105562093A (zh) * 2015-12-22 2016-05-11 苏州大学 光催化剂及其制备方法、光催化分解水制氢催化剂及其制备方法与氢气的制备方法
CN105562093B (zh) * 2015-12-22 2018-03-27 苏州大学 光催化剂及其制备方法、光催化分解水制氢催化剂及其制备方法与氢气的制备方法
CN107012474B (zh) * 2016-01-28 2019-04-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种规模化太阳能光催化-光电催化分解水制氢的方法
CN107012474A (zh) * 2016-01-28 2017-08-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种规模化太阳能光催化-光电催化分解水制氢的方法
TWI621593B (zh) * 2016-06-27 2018-04-21 南臺科技大學 光電化學反應系統
WO2018076886A1 (zh) 2016-10-26 2018-05-03 中盈长江国际新能源投资有限公司 光补电电解水制氢微电极光纤、光缆及制氢装置
CN106563813A (zh) * 2016-10-27 2017-04-19 中国科学技术大学先进技术研究院 一种Ag‑CoSe 2纳米带及其制备方法和用途
CN106563813B (zh) * 2016-10-27 2018-09-07 中国科学技术大学先进技术研究院 一种Ag-CoSe2纳米带及其制备方法和用途
CN108842159A (zh) * 2018-06-19 2018-11-20 上海师范大学 一种具有高产氢活性的硫化镉纳米线和碳纳米管复合柔性电极的制备方法及应用
CN111412380A (zh) * 2020-03-27 2020-07-14 东南大学 一种氢气制、储、用及运输一体系统
CN111412380B (zh) * 2020-03-27 2022-08-12 东南大学 一种氢气制、储、用及运输一体系统
CN111690970A (zh) * 2020-06-10 2020-09-22 上海宝敦金属表面处理厂(普通合伙) 一种阀体局部阳极氧化方法
CN112547125A (zh) * 2020-12-09 2021-03-26 江南大学 一种可用于光解水的CdS/NiPc光催化剂及其制备方法
CN112547125B (zh) * 2020-12-09 2021-08-24 江南大学 一种可用于光解水的CdS/NiPc光催化剂及其制备方法
CN113952908A (zh) * 2021-10-08 2022-01-21 浙江高晟光热发电技术研究院有限公司 一种光催化制氢装置及制氢系统
CN113952908B (zh) * 2021-10-08 2023-12-05 浙江高晟光热发电技术研究院有限公司 一种光催化制氢装置及制氢系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102534645A (zh) 一种光催化辅助电解水制氢的方法
Ibrahim et al. Biofuel from biomass via photo-electrochemical reactions: An overview
Zhang et al. Influence of Pt deposition on water-splitting hydrogen generation by highly-ordered TiO2 nanotube arrays
Sfaelou et al. Photoactivated Fuel Cells (PhotoFuelCells). An alternative source of renewable energy with environmental benefits.
Marshall et al. Production of hydrogen by the electrochemical reforming of glycerol–water solutions in a PEM electrolysis cell
US7833391B2 (en) Solar hydrogen charger
CN103771565B (zh) 一种氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极的制备方法
Chen et al. Hydrogen production on TiO2 nanorod arrays cathode coupling with bio-anode with additional electricity generation
KR100806168B1 (ko) 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 수소에너지제조방법
Liao et al. Respective electrode potential characteristics of photocatalytic fuel cell with visible-light responsive photoanode and air-breathing cathode
Acar et al. Analysis and assessment of a continuous-type hybrid photoelectrochemical system for hydrogen production
Wu et al. Efficient CO2 conversion to formic acid in a novel microbial photoelectrochemical cell using a visible-light responsive Co3O4 nanorod-arrayed photocathode
CN101629300A (zh) 一种光催化燃料电池分解水直接分离制氢的方法
Gupta et al. An insight into the bioelectrochemical photoreduction of CO2 to value-added chemicals
Ampelli et al. The use of a solar photoelectrochemical reactor for sustainable production of energy
CN109665598B (zh) 碳酸根自由基光催化废水发电方法
Sun et al. Novel composite functional photocatalytic fuel cell assisted by Fenton-like reactions
Chen et al. A solar responsive cubic nanosized CuS/Cu2O/Cu photocathode with enhanced photoelectrochemical activity
CN102306802A (zh) 可见光响应的纳米管阵列燃料电池
Wang et al. A study on tandem photoanode and photocathode for photocatalytic formaldehyde fuel cell
Kan et al. System engineering enhances photoelectrochemical CO2 reduction
Liu et al. An effective self-driven PFC-PEC hybrid system for hydrogen generation from organic substance
Sung et al. A novel micro protective layer applied on a simplified PEM water electrolyser
Oladipo et al. In2S3/AgIO3 photoanode coupled I−/I3− cyclic redox system for solar-electrocatalytic recovery of H2 and S from toxic H2S
Jeng et al. Membrane electrode assembly-based photoelectrochemical cell for hydrogen generation

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20120704