CN108778483B - 制备氢气的光催化装置 - Google Patents
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Abstract
分解水相制备氢气的光催化装置，所示装置的设置方式是这样的，至少一种与所述水相相接触的光催化系统可被光源照射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置产生氧气、电子和质子，所述装置包括：包括所述水相的第一区，和用以减少所述质子的装置，该装置通过所述电子对所述质子进行所述还原反应以制备氢气，所述装置的特征在于，所述减少质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
Description
技术领域
本发明涉及分解水相制备氢气的光催化装置，所示装置的设置方式是这样的，与所述水相接触的至少一种光催化系统可被光源辐射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置处制备氧气、电子和质子，所述装置包括：
包括所述水相的第一区，和
用以减少所述质子的装置，通过所述电子对所述质子进行所述还原反应以制备氢气。
背景技术
在本发明中，术语“光催化系统”指包括至少一种光酶(photo-enzyme)和/或其辅酶及任何可在水相进行氧化反应的光催化剂。
本发明中，术语“水相”指仅含有水的相或任何含有水和至少一种添加剂的任意相，该添加剂比如电解质(缓冲剂)、电子传输媒介或电子受体。
发明这种装置的第一目的是使用光能(如太阳光)提供绿色、可再生的能源，尝试至少分配部分其它能量输入使得光催化装置工作。
背景技术已知一种这样的光催化装置，其采用光能和水获得气体形式(H2气体)的氢。更特别地，这种装置允许通过进行(1)光催化氧化反应(如光酶反应)和(2)还原反应来制备氢气，光催化氧化反应发生在水相，其释放氧气(O2气体)、电子(e-)和质子(H+)，在还原反应中，所述质子(H+)通过所述电子(e-)而减少，这种反应制备气态形式(H2气体)的氢。
在这种光催化电池或装置中，更特别地在光酶电池或装置中，水相的氧化通常在包括电化学界面(如由碳制成)和光催化系统(特别是光酶)的光阳极进行，当被照射，该光酶被激发并分解水分子。通常，这种光催化系统(如光酶)构成阳极的涂层。
为了这个目的，在光酶电池(光催化电池的特别形式)，光合体系II(PSII)可被作为光酶。PSII为自然产生的蛋白质复合体，其在植物细胞的叶绿体中用于光合作用催化水的水解(光解或氧化)。光合作用的过程中，在分解水的光酶装置中，按照以下方程式分解水：
其中，hν代表光，H2O是水，H+代表质子，e-代表电子，光酶以PSII酶复合体为例。
在第一反应中，如PSII酶复合体的光酶在光的影响下，可分解水，产生氧气(O2气体)、自由质子(H+)和电子(e-)。水溶液中的电子最终被将其传输至阳极的电子受体(如2,5-二氯-1,4-苯醌或二氯代苯醌(DCBQ))接纳。当阳极电性连接至由电化学表面(如由铂制成，和/或包括氢化酶类似酶)制成的阴极时，电子被传输至阴极。同时，质子也通过水相扩散至阴极(即，减少质子的装置)。在阴极，由光酶催化水分解产生的电子和质子最终结合，发生质子被减少的反应，以制备氢气，反应根据如下第二反应进行：
2H++2e -→H2气体
因此最终获得氢气(H2气体)，氢气可从光酶(光催化)装置中提取出来，用以(诸如)储存。
背景技术已知的这种光酶装置，尤其是光催化形式的装置，通常由两个电极构成，如浸没在相同水相溶液中，彼此相连的由铂或碳制成的栅格形式，如，通过稳压器彼此相连。采用现有已知的分解水的光酶装置，这种稳压器(或其它合适的装置)必须经常提供额外的大量势能(被称为过电势或偏压)，其加至阳极的电子的初始势能。在实践中，似乎采用背景技术已知的现有光酶装置(例如电极为碳栅格的形式)，这种额外的势能(如以电势的形式)对制备氢气必不可少。更特别地，这种额外的势能对将阳极制备电子转移至阴极(减少质子的装置)必不可少，从而使得通过电子e-减少质子H+，以在阴极制备氢气。
结果是，来自水的电子在到达阳极而后阴极之前，会遇到传输级联(transmissioncascade)和各种界面，每一个传输和每一个界面都会消耗部分电子能量。
结果，采用现有装置，必须提供大量额外的势能(伏级)来给电子足够的能量以克服所有这些传输，并通过所有这些界面。因此，必须提供大量额外的势能，如使用稳压器，从而电子有足够的能量到达阴极，能减少质子产生氢气。然而，这与这种光酶(光催化)装置的初始目标相反，其初始目标为用发光的能源来产生氢气，而不需要任何其它能源，或者只在有限的范围内使用这种能源。在实践中，由于被装置消耗的能量和装置的能量产量(energetic yield)需要全部测量，似乎，对于现有光酶装置，这种净能量和能量产量总是解释为，来自光源的光能和消耗的电能的总和，如通过稳压器消耗的。
还注意到，背景技术还包括了使用不同于光酶的光催化酶的光催化装置。
从这些，不幸的是，采用光催化装置，尤其是现有的光酶装置，必须提供大量额外的伏级势能(过电势)以能制备氢气，意味着需要大量额外的能量源。于是，由于必须结合两种不同的能源以制备氢气，一种发光的和另一种电的，整体的能量平衡和整体的能量产量并没有得到优化。
因此真正需要一种不需要额外能源(如额外的电能源)或至少大大减少装置所需的过电势的制备氢气的光催化装置。
发明内容
为了解决这个问题，本发明提供了一种如前所述的分解水相制备氢气的光催化装置，所述装置的特征在于，所述减少质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
本发明中，术语“催化剂”和“催化系统”代表任何可以催化氧化和/或还原反应的试剂或一套试剂。
本发明中，语句“仅有所述质子交换界面的所述背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统”意味着仅有质子交换界面的背面掺杂有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。
根据本发明，质子交换界面(如膜)，也被称为聚合物电解质膜(PEM)，是一种允许质子传导，而不允许类似双分子的氧或氢的气体通过的界面。
令人惊奇的是，在本发明中，已表明这种装置使得大大减少甚至不需要额外的势能(过电势)成为可能，这种装置的电子捕获装置为带有前面和后面的质子交换界面，前面朝向所述电子捕获装置，后面为仅承载有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统的面。在实践中，发现当使用根据本发明的装置时，根据本发明的装置使得减少三分之一提供给系统的过电势成为可能。
更特别地，在本发明中，已断定当到达质子交换界面的质子在质子交换界面的前面被接纳，然后穿过质子交换界面到达其背面时，需要应用的势能更少，在背面质子直接减少，只要仅有这种质子交换界面的背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统即可。
优选地，根据本发明，所述光催化系统为包括至少一种光酶和/或其辅酶的系统，或包括能在水相支持氧化反应的任意酶的系统。
优选地，根据本发明，所述至少一种光催化系统为作为从PSI酶复合体和/或其它类囊体蛋白分离出来的PSII酶复合体的至少一种光酶。PSII酶复合体可从光合生物的类囊体膜中提取出来，其可从光合体系I(PSI)复合体和其它酶复合体中提纯和/或分离。
可能地，PSII复合体可以是PSII生产过程中产生的合成复合体。
优选地，根据本发明，与所述水相接触的所述至少一种光催化系统构成了第一电极的涂层，特别是阳极的涂层。然而，本发明中，有计划地，光催化系统(如光酶)可与水相或以局限于水相特定部分的形式简单接触。
优选地，根据本发明，所述电子捕获装置可包括或不包括至少一种催化剂和/或至少一种并非光催化系统的催化系统。
优选地，根据本发明，所述至少一种催化剂和/或所述至少一种并非光催化系统的催化系统包括氢化酶类似酶和/或铂粒子。已确定，氢化酶类似酶每单位时间(每秒)不仅处理更多的电子，而且一定程度减少了制备氢气的装置所需的势能，此外其比铂便宜。上述氢化酶类似酶可通过合成制得，而不是从自然制备的生物中提取。
优选地，根据本发明，所述电子捕获装置为质子交换界面或碳栅格。
优选地，根据本发明，所述质子交换界面在所述含有水相的第一区和第二非水相之间构成了隔板。
本发明中，术语“第二非水相”代表例如含有固相或非水液相的区或没有液相的区。
优选地，根据本发明，所述隔板既不允许所述液相通过也不允许气体(尤其是O2)通过，但可使质子通过。在一个实施例中，根据本发明的这种隔板保证了还原反应仅在非水相区进行。在这种情况下，根据本发明，有计划地，隔板(比如，同时有前面和后面的膜形式的界面)的前面与水相接触，或直接与阳极接触，因此位于第一水相区侧。因此，有计划地，掺杂催化剂(如碳或铂)的背面位于第二非水相区侧。质子受电子作用减少以制备氢气的反应仅在界面(膜)的背面进行，因此仅在第二非水相区侧。如前所述，如果隔板(膜)不允许水相通过，但允许质子穿过至第二非水相区，质子仅在这种隔板(界面)的背面减少因而在第二非水相区，这是可能的。本发明中，已确定，当给定势能应用至该系统时，在非水相区减少质子可优化强度(电流量/电流振幅)。
优选地，根据与本发明一致的分解水相制备氢气的光催化装置，所述电子捕获装置和/或所述减少质子的装置包括接触装置。例如，碳栅格计划用于在所述电子捕获装置和所述减少质子的装置之间提供更好的电接触，如通过稳压器。
优选地，根据本发明，所述水相为仅含有水的相，或含有水和至少一种添加剂的任意相，该添加剂比如电解质、电子传输媒介或电子受体。
优选地，根据本发明，所述水相也包括电子传输媒介或电子受体。例如，所述电子传输媒介或电子受体可以是醌的衍生物，优选2,6-二甲基苯醌、2,6-二甲基对苯醌或1,4-苯醌。可能地，所述电子捕获媒介或所述电子受体为碳纳米管或铁氰化物的形式。
优选地，根据本发明，所述水相的pH为4至8之间，优选为6至7之间。
优选地，根据本发明，分解水相制备氢气的光催化装置还包括用于重新获得和去除气体的其它装置。例如可采用能保证氮气通过所述第二非水相区流量的装置的形式，以获得和去除在所述第二非水相区的气体，尤其是在该第二非水相区通过质子减少制备的氢气。
优选地，根据本发明，分解水相制备氢气的光催化装置还包括检测氢气的其它装置。
优选地，根据本发明，分解水相制备氢气的光催化装置还包括稳压器。
优选地，根据本发明，所述光源位于水相中。在实践中，光源可浸没在水相中，而不是位于光催化装置外。在这种情况下，光子不再需要穿过光催化装置的前壁，其保证装置的效率。例如，光纤可用于实现这个目的。
优选地，所述电子传输媒介或所述电子受体在水相的浓度在1picoM(微微摩尔每升)至1M(摩尔每升)之间。优选地，所述电子传输媒介或所述电子受体在水相的浓度在10μM(微摩尔每升)至1mM(毫摩尔每升)之间。优选地，对于光合生物，在水相含有浓度在1μgChl/cm2至1g Chl/cm2之间的PSII，优选在20μg Chl/cm2至200μg Chl/cm2。本发明中，PSII的浓度通常用总叶绿素浓度(Chl)表示。本发明中总叶绿素浓度同时为叶绿素A和B的浓度。根据本发明，当光合生物不包括叶绿素时，水相中PSII的叶绿素通过分析脱镁叶绿素进行定量。
根据本发明的设备的其它实施例在所附权利要求书中有描述。
本发明的另一个目的是提供采用根据本发明的光催化装置制备氢气的方法，所述方法包括：
通过光源照射与位于第一区中的水相相接触的至少一种光催化系统，以通过氧化反应制备氧气、电子和质子，氧化反应在电子捕获装置发生在所述水相，及
在所述质子交换界面捕获所述质子，从而在所述质子交换界面的所述背面，所述质子在所述质子的还原反应中被所述电子减少成气态氢，其中，所述质子交换界面带有面向所述电子捕获装置的前面，和至少一种催化剂和/或催化系统的背面。
根据本发明的方法的其它实施例在所附权利要求书中有描述。
本发明同样涉及根据本发明的从水相和光源制备氢气的光催化装置的使用。
根据本发明的光催化装置的使用在所附权利要求中有描述。
附图说明
本发明的其它特征、细节及优点将参考附图从以下描述中显现，其不是对本发明的限制。
图1为背景技术已知的从水相和光源制备氢气的光催化装置的分解视图。
图2为根据本发明的从水相和光源制备氢气的光催化装置的分解视图。
图3所示为图2所示的装置的时间进程，图2所示的装置包括掺杂有铂的质子交换界面(实线)或未掺杂的带有铂栅格的质子交换界面(虚线)，其显示了，当0.6V的过电势通过稳压器装置而应用时，从阳极至阴极通过的电流量。
图4为根据本发明的从水相和光源制备氢气的另一个光催化装置的分解视图。
图5所示为记录在根据本发明的如图2(虚线)和图4(虚线)所示的掺杂质子交换界面的设备的安培多电压测量(0.1V至0.9V)的对比结果图。
图6为根据本发明的从水相和光源制备氢气的另一个光催化装置的分解视图。
相同组件在不同的图中以相同的方式标记。
具体实施方式
图1示出了背景技术中从水相2和光源3制备氢气(H2气体)的装置1。该装置1包括前壁4，其允许来自光源3的光子通过，以照射与水相2相接触的光催化系统9。该装置还包括后壁5，如由合适的聚合物制成的后壁5。当然，装置1还包括与前、后壁一起的顶部、底部和侧壁，形成防水设备(发生器)。例如，前壁4可由玻璃制成，尽管能使来自光源3的光子照射与水相2相接触的光催化系统9的任意合适的材料均被本发明包括。
水相2浸泡包含光酶的阳极6(如碳阳极6)，通过稳压器7连接至浸没在相同水相2的阴极，光酶如作为光催化系统9的PSII。光酶9形式的光催化系统形成了阳极6的涂层，其以这样的方式被输入的光子激活：在光(光子)的影响下，光酶9(如PSII酶复合体)在水相2发生催化和氧化反应，制备氧气(O2气体)、电子(4e-)和自由质子(4H+)。
优选地，水相2包括电子传输媒介(或电子受体)(如DCBQ)，其以这种方式将电子运送至阳极6，由于阳极6通过稳压器7与阴极8电性连接，电子能到阴极，与同样通过水相2到阴极8的质子结合。在阴极8发生还原反应，其中，质子H+被电子e-减少产生氢气(H2气体)。
图2示出了根据本发明的从水相2和光源3制备氢气的装置1，例如光源3可以是红色发光二极管(red LED)或卤素光源(halogen light source)。该装置1包括前壁4，其使得来自光源3的光子通过，以照射与水相2相接触的光催化系统9。该装置同样包括后壁5，如后壁5由合适的聚合物制成。当然，装置1还包括与前、后壁一起的顶部、底部和侧壁，形成防水装置(反应器)。例如，前壁4可由玻璃制成，尽管可使来自光源3的光子照射与水相2相接触的光催化系统9的任意合适的材料均被本发明包括。
水相2浸泡包含光酶(如PSII复合体)的阳极6(如碳阳极6)，阳极6通过稳压器7连接至带有前面8a和后面8b的质子交换膜8形式的界面，前面8a面对所述电子捕获装置6，其后面8b包括至少一种催化剂和/或催化系统，膜(界面)8也浸没在相同的水相2中。光酶9形式的光催化系统形成了阳极6的涂层，其以这样的方式被输入的光子激活：在光(光子)的影响下，光酶9(如PSII酶复合体)将催化在水相2发生的氧化反应，产生氧气(O2气体)、电子(4e-)和自由质子(4H+)。更特别地，膜(界面)8包括与水相2接触的前面8a和后面8b，后面8b也与水相2相接触，其掺杂有铂，从而可作为阴极。质子(H+)被电子(e-)减少以制备氢气(H2气体)的反应仅发生在膜(界面)8的背面8b。
优选地，水相2包括电子传输媒介或电子受体(如DCBQ)，其以这种方式将电子运送至阳极6，由于阳极通过稳压器7与阴极8电性连接，电子能到达膜(界面)8，与同样通过水相2到达膜(界面)8的质子结合。在膜(界面)8的背面发生还原反应，其中，质子H+被电子e-减少产生氢气(H2气体)。可能地，碳纤维织物(气体扩散层---GDL)可设置在膜(界面)8(被掺杂并作为阴极)的背面8b(面向壁5)，以在膜(界面)8和稳压器7之间产生电接触层。
图3所示为如2所示的装置的时间进程，该装置包括根据本发明的掺杂有铂的质子交换界面(实线)，或者根据背景技术的带有铂栅格的未掺杂的质子交换界面(虚线)，示出了当通过稳压器施加0.6V的过电势时，从阳极流过阴极的电流量。对于这些实验，在光合/(s.m2)系统发射600微摩尔(μmol)有用光子的卤素光源被用于照射水相2(当在光合/(s.m2)系统发射600微摩尔(μmol)有用光子的红色发光二极管光源也被用于实验，结果完全相同)。此外，对于这些实验，水相2包括作为电子传输媒介的DCBQ(0.75mM)和带有阳极6的缓冲区(氯化钠(NaCl)50mM、脂肪酸甲酯磺酸盐(MES)20mM、氯化镁(MgCl)2mM)，阳极6由载有PSII光酶9(30μg Chl/cm2)的碳制成。
每条曲线下的面积都可被认为与产生的氢气(H2气体)量成正比，结果明确表明，当给定的0.6V额外的势能(过电势)施加至该系统时，相对于带有未掺杂的质子交换界面和铂栅格的装置，如果装置带有掺杂的质子交换界面作为阴极，会产生更多的氢气(H2气体)。
图4所示为根据本发明的从水相2和光源3制备氢气(H2气体)的光催化装置1，例如光源3可为红色发光二极管或卤素光源。根据本发明的装置1包括如图2所示及描述的组件，但如图4所示的根据本发明的该装置1包括第一水相区I和第二非水相区II。根据该实施例，铂掺杂的PEM类型膜8形式的界面在第一水相区I和第二非水相区II之间构成了隔板。膜(界面)8的背面掺杂有碳和铂，使其转变为阴极。这种膜(界面)8形式的隔板同时阻止水相2和气体通过，但允许来自所述水相区I的质子(H+)通过至所述非水相区II。更特别地，这种膜(隔板)包括与水相2相接触的前面8a，其面向第一水相区I侧。这种膜(隔板)还包括掺杂有铂的背面8b，以这种形式其能作为阴极。由于该背面8b面向第二非水相区II的一面，质子(H+)被电子(e-)减少以制备氢气(H2气体)的反应仅发生在隔板(膜)的背面8b，因而仅在非水相区II侧。可能地，碳纤维织物(气体扩散层---GDL)可设置在膜(界面)8(被掺杂并作为阴极)的背面(面向壁5)以在阴极8和稳压器7之间产生电接触层。
图5所示为记录在根据本发明的如图2(虚线)和图4(虚线)所示的装置的安培多电压测量(从0.1V至0.9V)的对比结果图。对于如图2和图4所示的每个实施例，掺杂有铂(在其背面)的质子交换膜(PEM界面)作为阴极。如图所示，当系统包括掺杂有铂的质子交换界面并将第一水相区从第二非水相区(图4所示的实施例)分离出来时，应用给定电压至系统，电流(μA)更高。在这个图中，根据图4的实施例与根据图2的不包括非水相区的设备进行了对比。这表明在图4所示的带有非水相区的发明实施例中，在非水相区发生质子还原反应，电流强度被优化了。这意味着，与根据本发明的不带有任何非水相区的设备相比，对于给定的、预设的应用势能产生了更多H2气体。
对于这些实验，在光合/(s.m2)系统发射600微摩尔有用光子的卤素光源被用于照射水相2(当在光合/(s.m2)系统发射600微摩尔有用光子的红色发光二极管光源也被用于实验，结果完全相同)。此外，对于这些实验，水相2包括作为电子传输媒介的DCBQ(0.75mM)和带有阳极6的缓冲区(NaCl 50mM、MES 20mM、MgCl 2mM)，阳极6由带有PSII光酶9(30μgChl/cm2)的碳制成。此外，对于图4所示的实验，增加了其它装置用以获得和去除来自非水相区的气体。
图6为根据本发明的从水相2和光源3制备氢气(H2气体)的另一光催化装置的视图。该设备1除了膜(界面)8与阳极6的背面并列外，其它与如图4所示的设备相同。膜(界面)8在第一水相区I和第二非水相区II之间构成了隔板，且其掺杂有碳和铂，从而其可作为阴极。膜(界面)8形式的隔板同时阻止水相2和气体通过，但允许质子(H+)通过。更特别地，这种膜(界面)8包括直接与阳极6接触的前面8a(因为其与阳极6的背面并列)，所述前面面对第一水相区I侧。膜(界面)8还包括掺杂有铂的背面8b，从而其可作为阴极，所述背面8b面向第二非水相区II侧。质子(H+)被电子(e-)减少以制备氢气(H2气体)的反应仅在膜8的背面的这种非水相区II进行。可能地，碳纤维织物(气体扩散层---GDL)可设置在膜(界面或隔板)8(被掺杂并作为阴极)的背面8b(面向壁5)以在阴极8和稳压器7之间产生电接触层。
根据本发明的如图6所示的该实施例，还原反应在该非水相区II进行，但此外，在水相氧化反应产生的质子在膜(界面)8被直接接纳，而不像根据本发明的如图4所示的实施例必须穿过水相。在这种情况下，质子不会再次返回至水相，它们在膜(界面)8被直接接纳，其在非水相区II作为阴极8。
本领域技术人员完全理解，本发明绝不仅限于上述实施例，可以在不超出权利要求范围的情况下进行修改。
Claims (20)
1.分解水相制备氢气的光催化装置，所述 装置以如下方式设置，至少一种与所述水相相接触的光催化系统能够被光源照射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置产生氧气、电子和质子，所述装置包括：
包括所述水相的第一区，和
用以减少所述质子的装置，该装置通过所述电子对所述质子进行还原反应以制备氢气，
减少所述质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面向所述电子捕获装置，所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统；
所述装置的特征在于，所述质子交换界面在所述含有水相的第一区和第二非水相区之间构成了隔板，其中所述隔板不允许所述水相通过，但允许所述质子通过并进入所述第二非水相区；所述光催化系统为包括至少一种光酶和/或所述光酶的辅酶或包括能在水相进行氧化反应的任意光催化剂的系统。
2.根据权利要求1所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述至少一种光催化系统为至少一种光酶，所述光酶为从PSI酶复合体和/或其它类囊体蛋白分离出来的PSII酶。
3.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，与所述水相接触的所述至少一种光催化系统构成了第一电极的涂层。
4.根据权利要求3所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述涂层是阳极的涂层。
5.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述电子捕获装置包括或不包括至少一种催化剂和/或至少一种并非光催化系统的催化系统。
6.根据权利要求5所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述至少一种催化剂和/或所述至少一种并非光催化系统的催化系统包括氢化酶和/或铂粒子。
7.根据权利要1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述电子捕获装置为质子交换界面或碳栅格。
8.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述隔板同时阻止所述水相通过和气体通过，但能使质子通过。
9.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述电子捕获装置和/或所述减少质子的装置包括接触装置。
10.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述水相为仅含有水的相，或含有水和至少一种添加剂的任意相。
11.根据权利要求10所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述添加剂为电解质、电子传输媒介或电子受体。
12.根据权利要求10所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述水相还包括电子传输媒介或电子受体。
13.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述水相的pH为4至8之间。
14.根据权利要求13所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述水相的pH为6至7之间。
15.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述光催化装置还包括用于获得和去除气体的其它装置。
16.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述光催化装置还包括检测氢气的其它装置。
17.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述光催化装置还包括稳压器。
18.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述水相中含有所述光源。
19.使用根据权利要求1至18中任一所述光催化装置制备氢气的方法，所述方法包括：
通过光源照射与在第一区中的水相相接触的至少一种光催化系统，以通过氧化反应制备氧气、电子和质子，所述氧化反应在电子捕获装置发生在所述水相，及
在所述质子交换界面捕获所述质子，从而在所述质子交换界面的后面，所述质子在所述质子的还原反应中被所述电子减少成气态氢，其中，所述质子交换界面带有面向所述电子捕获装置的前面，和至少一种催化剂和/或催化系统的后面。
20.使用根据权利要求1至18中任一所述光催化装置从水相和光源制备氢气。
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