CN114941149A - 一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置，该装置包括产氢器件、绿色室、冷却室和热电器件，产氢器件包含具有受光面的光阳极和光阴极，绿色室包含产氢器件，收纳与所述光阳极和所述光阴极接触的第一水溶液以及产生的氢气和氧气；冷却室盛放温度不高于第一水溶液初始温度的第二水溶液；热电器件邻接设置于绿色室和冷却室之间；光阳极和光阴极分别连接至所述热电器件。该水解制氢装置最大程度达到对太阳光全光谱的利用，大幅提升了太阳能与氢能转换效率。另外本发明的水解制氢装置结构简单紧凑，稳定性好，能够满足实际应用和工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及太阳光分解水领域，尤其涉及一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置。
背景技术
在自然界，海洋能和太阳能被认为是两种无穷尽的能源，我们受到绿色植物光合作用吸收CO2，产生O2的启发，利用一种在地球上储量丰富，绿色环保的矿石材料制备出一种人工树叶—铜锌锡硫(CZTS)。该材料可以在太阳光的照射下将水分解成为氧气和氢气，氧气的重要性不言而喻，而氢气作为一种绿色能源，不仅燃烧热远高于传统能源，更重要的是燃烧产物只有水，清洁无污染，当下已经有许多国家将氢气作为国家发展能源战略。铜锌锡硫(CZTS)在2010年由日本东京大学Domen团队首次合成，并且将其作为光阴极材料应用于光分解水制氢领域。由于其具有良好的光响应强度，适合光分解水的禁带宽度(1.45eV)，近几年引起在国内外学者的广泛研究兴趣。然而，受到材料结构所限，CZTS目前很难实现单电极产氢，必须借助于光阳极材料(BiVO4)才可以实现无偏压光分解水制氢，但是光电转换效率相对较低。
发明内容
本发明提供一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置，该装置利用热电器件吸收热量，并将其转换为电能，辅助产氢器件产氢，在此基础上设置绿色室和冷却室，产氢器件设置于绿色室内，热电器件设置于绿色室和冷却室之间，可见光的一部分被产氢器件吸收，分解水产生氧气和氢气，绿色室内的水溶液在没有被产氢器件吸收的可见光以及红外光的照射下温度升高，产生的热能被邻接绿色室的热电器件吸收，转化为电能辅助产氢器件产氢，使得该水解制氢器件最大程度达到对太阳光全光谱的利用，大幅提升了太阳能与氢能转换效率。另外本发明的水解制氢装置结构简单紧凑，稳定性好，能够满足实际应用和工业化生产。
本发明至少提供如下技术方案：
一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置，包括：
产氢器件，包含具有受光面的光阳极和光阴极，所述光阳极产生氧气，所述光阴极产生氢气；
绿色室，其包含所述产氢器件，收纳与所述光阳极和所述光阴极接触的第一水溶液以及产生的氢气和氧气；
冷却室，其盛放第二水溶液，第二水溶液的温度不高于所述第一水溶液的初始温度；
热电器件，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述绿色室邻接设置，所述第二表面与所述冷却室邻接设置；
其中，所述光阳极和所述光阴极分别连接至所述热电器件。
所述第一水溶液选用海水。
所述第一水溶液选用中性缓冲溶液。
所述第二水溶液选用温度恒定的液体。
所述第二水溶液选用海水。
太阳光照射经过所述光阳极之后传输至所述光阴极的受光面。
所述光阳极和所述光阴极并排设置于所述绿色室中。
所述光阴极包含CZTS系光吸收层。
所述光阳极选用BiVO4光阳极。
所述光阴极选用Pt-HfO2/CdS/CZTS光阴极。
所述光阴极连接至所述热电器件的负极，所述光阳极连接至所述热电器件的正极。
附图说明
图1是本发明一实施例的TD-CZTS-BiVO4集成串联的产氢装置的结构示意图。
图2是本发明一实施例的CZTS-BiVO4产氢器件封装结构示意图。
图3是本发明一实施例的TD-CZTS-BiVO4串联电池结构示意图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
波长在900nm以上的红外光占据了太阳光辐射总能量的40％以上，然而该部分的红外光只能以热能的形式被吸收，目前无偏压光分解水制氢器件无法直接吸收红外光，使得对太阳能的利用效率较低。本发明的水解制氢装置如下：采用产氢器件串联热电器件提升水解制氢器件对太阳光的利用，达到最大程度地对太阳光全光谱的利用。
参见图1至图3，本发明的水解制氢装置包括产氢器件、绿色室、冷却室和热电器件。产氢器件设置于绿色室内，绿色室内容纳有第一水溶液，第一水溶液选用海水或中性缓冲溶液，产氢器件与绿色室内的第一水溶液接触。冷却室中盛放有第二水溶液，第二水溶液的温度不高于第一水溶液的初始温度，在一实施例中，第二水溶液的温度等于第一水溶液的初始温度。优选地，第二水溶液选用温度恒定的液体，例如可以选用温度恒定的海水。
热电器件具有第一表面和第二表面，第一表面与绿色室邻接设置，第二表面与冷却室邻接。在一实施例中，热电器件包含氧化铝上基板和氧化铝下基板，氧化铝上基板和氧化铝下基板之间分布有BiTe粒子阵列和铜电极。
产氢器件包含光阳极和光阴极，光阳极与光阴极之间通过支撑柱固定，如图2所示。光阳极例如是BiVO4光阳极、硅光阳极、氮化碳(N4C3)光阳极中的一种，在一优选实施例中，光阳极选用透光性良好的BiVO4光阳极。BiVO4光阳极优选通过以下方法制备获得：采用电沉积法制备碘氧化铋(BiOI)，在碘氧化铋表面滴加少量含有乙酰丙酮氧钒的有机溶液，随后退火后获得BiVO4薄膜，最后采用光电化学法在BiVO4薄膜表面沉积磷酸钴助催化剂。
光阴极例如是CZTS光阴极、硒化亚锗(GeSe)、铜铋硫(Cu3BiS3)等光阴极中的一种，在一优选实施例中，光阴极选用CZTS光阴极。优选地，CZTS光阴极由P型CZTS吸收层、n型CdS导电层、HfO2保护层和Pt粒子助催化剂构成。其中，CZTS吸收层采用喷雾热解方法及硫化退火法制备获得。
光阳极和光阴极具有受光面，在一优选实施例中，如图1所示，太阳光照射至光阳极的受光面，穿过光阳极后照射至光阴极的受光面，光阴极与热电器件之间通过支撑柱固定，光阳极通过导线连接至热电器件的正极，光阴极通过导线与热电器件的负极连接。在另一优选实施例中，光阳极和光阴极并排设置，太阳光同时照射至光阳极和光阴极的受光面。
产氢器件的光阳极和光阴极分别连接至热电器件的正极和负极，与热电器件串联集成封装形成产氢电池。产氢电池可以选用塑料板和胶水封装为一个整体，塑料板例如选用亚克力塑料板。
光阳极和光阴极设置于绿色室中的第一水溶液中，与第一水溶液接触，热电器件的一表面与绿色室邻接设置，其另一表面与冷却室邻接设置。随着光照时间的增加，绿色室中第一水溶液的温度逐渐升高，热电器件的第一表面侧吸收热能，冷却室中的第二水溶液选用温度恒定的海水，热电器件的第一表面侧和第二表面侧存在温差，进而产生温差电动势，进而将热能转换为电能，辅助光阳极和光阴极分解水，在光阳极的受光面产生氧气，光阴极的受光面产生氢气绿色室和冷却室中还分别设置有进水管和排水管，分别连接至水泵，以便于第一水溶液和第二水溶液的更换。
本发明的水解制氢装置充分利用了未被产氢器件吸收的可见光以及红外光照射绿色室内的水溶液产生的热量，并将其转换为电能辅助光阳极和光阴极分解水，产生氧气和氢气，实现了太阳光全光谱的利用，提升了太阳能与氢能的转换效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置，其特征在于，包括：
产氢器件，包含具有受光面的光阳极和光阴极，所述光阳极产生氧气，所述光阴极产生氢气；
绿色室，其包含所述产氢器件，收纳与所述光阳极和所述光阴极接触的第一水溶液以及产生的氢气和氧气；
冷却室，其盛放第二水溶液，第二水溶液的温度不高于所述第一水溶液的初始温度；
热电器件，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述绿色室邻接设置，所述第二表面与所述冷却室邻接设置；
其中，所述光阳极和所述光阴极分别连接至所述热电器件。
2.根据权利要求1的所述水解制氢装置，其特征在于，所述第一水溶液选用海水。
3.根据权利要求1的所述水解制氢装置，其特征在于，所述第一水溶液选用中性缓冲溶液。
4.根据权利要求1至3之一的所述水解制氢装置，其特征在于，所述第二水溶液选用温度恒定的液体。
5.根据权利要求4的所述水解制氢装置，其特征在于，太阳光照射经过所述光阳极之后传输至所述光阴极的受光面。
6.根据权利要求4的所述水解制氢装置，其特征在于，所述光阳极和所述光阴极并排设置于所述绿色室中。
7.根据权利要求5或6的所述水解制氢装置，其特征在于，所述光阴极包含CZTS系光吸收层。
8.根据权利要求7的所述水解制氢装置，其特征在于，所述光阳极选用BiVO4光阳极。
9.根据权利要求8的所述水解制氢装置，其特征在于，所述光阴极选用Pt-HfO2/CdS/CZTS光阴极。
10.根据权利要求1至3之一的所述水解制氢装置，其特征在于，所述光阴极连接至所述热电器件的负极，所述光阳极连接至所述热电器件的正极。
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