LT6111B - Vandenilio gavybos iš vandens būdas - Google Patents
Vandenilio gavybos iš vandens būdas Download PDFInfo
- Publication number
- LT6111B LT6111B LT2013012A LT2013012A LT6111B LT 6111 B LT6111 B LT 6111B LT 2013012 A LT2013012 A LT 2013012A LT 2013012 A LT2013012 A LT 2013012A LT 6111 B LT6111 B LT 6111B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- water
- hydrogen
- tio
- coating
- molecules
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 96
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 55
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000605 extraction Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013033 photocatalytic degradation reaction Methods 0.000 claims 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 claims 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 10
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 abstract 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005660 hydrophilic surface Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000003473 flash photolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000006303 photolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015843 photosynthesis, light reaction Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000003608 radiolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005393 sonoluminescence Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000001149 thermolysis Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 1
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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Išradimas skirtas vandenilio gavybos technologijoms ir konkrečiai vandenilio iš vandens gavybos būdui. Šio išradimo būdas skiriasi tuo, kad vandenilis gaunamas skaldant vandens molekules fotoelektrocheminiu būdu, naudojant fotoelektrocheminį elementą, kuris formuojamas plonoje Ti dangoje, užneštoje ant porėto metalinio elektrodo, ją patalpinus į jonizuotų vandens garų aplinką. Proceso metu inicijuojamas fotoelektrocheminis vandens molekulių skaldymas, kurių atskilę vandenilio jonai difunduoja per kietą elektrolitą (TiO2). Vandens oksidacijos reakcijos metu išlaisvinti elektronai per išorinę grandinę, kurią sudaro plazma ir metalinio reaktoriaus korpusas ir porėtas metalinis TiO2 padėklas, dalyvauja vandenilio redukcijos reakcijoje.
Description
TECHNIKOS SRITIS
Išradimas skirtas vandenilio gavybos iš vandens būdui, konkrečiau vandenilio gavybai iš vandens, panaudojant puslaidininkines TiO2 dangas vandens garų plazmos aplinkoje.
TECHNIKOS LYGIS
Procesai, susiję su vandenilio gavyba, saugojimu ir jo cheminės energijos panaudojimu elektros energijai gauti, yra intensyviai tiriami jau daugelį metų. Vandenilio energijos šaltiniai šiandien negali konkuruoti su iškastinio kuro ir gamtinių angliavandenilinių dujų energijos šaltiniais pagal ekonominius rodiklius. Viena iš pagrindinių priežasčių - gamtoje vandenilis yra tik cheminiuose junginiuose, išskyrimas iš kurių reikalauja papildomų energijos sąnaudų. Minėtai problemai spręsti skirtas šis patentas.
lentelėje pateikiame sąrašą pagrindinių technologijų, naudojamų vandeniliui gauti, ir jų energetinį efektyvumą. Priminsime, kad technologijos efektyvumas skaičiuotas kaip santykis energijos, gaunamos iš pagaminto vandenilio, su energija, kuri sunaudojama jam gauti, išreikšta procentais.
lentelė. Vandenilio gavybos technologijos ir jų energetinis efektyvumas
| Gavybos technologija | Efektyvumas |
| Metano dujų reformingas | 83% |
| Metano dalinė oksidacija | 70-80 % |
| Autoterminis reformingas | 71-74% |
| Anglies dujofikacija | 63% |
| Tiesioginė biomasės dujofikacija | 40-50 % |
| Vandens elektrolizė (naudojant atomines elektrines) | 45-55 % |
| Fotokatalitinis vandens skaldymas | 10-14% |
Visos išvardintos technologijos, išskyrus vandens elektrolizę ir fotokatalitinį vandens skaldymą, ir jų daugybė modifikacijų vandenilį gauna, skaldant angliavandenilinius junginius. Jos pasižymi aukštu energetiniu efektyvumu ir žema kaina, tačiau reakcijos produktai yra kenksmingi aplinkai. Būtent paieškai naujų, ekologiškai švarių, efektyvių ir pigių technologijų, konkurencingų dabartinėms technologijoms, yra skirtas šis patentas.
Daugelyje pasaulio laboratorijų plačiai tiriama žematemperatūrinė vandens elektrolizė, kurios metu vandens molekulės disocijuoja vandens tirpale, o susidarę vandenilio ir deguonies atomai surenkami katodo ir anodo elektrodų srityse.
Vandenilio išskyrimo iš vandens elektrolizės būdu efektyvumas, įskaičiuojant energiją, reikalingą elektrolizei vykti, svyruoja intervale 25-55 %.
Vandens molekules bandoma skaldyti į H ir O atomus kitais įvairiais būdais ir metodais. Paskaičiuota, kad energija, reikalinga vandens molekulei suskaldyti į 2H ir O atomus, yra lygi maždaug 10 eV. Ji gaunama įvairiais būdais: kaitinant vandenį, generuojant vandenyje intensyvias mechanines bangas bei deformacijas, apspinduliuojant vandenį radijo bangomis, fotonais, elektronais ir kitomis dalelėmis. Pagrindiniai procesai, inicijuojantys vandens molekulių skaldymą, yra šie:
- termolizė - tai vandens skaldymas aukštose temperatūrose (3000 K ir daugiau), tame tarpe plazmoje temperatūrų intervale 10000-12000 K;
- radiolizė - naudoja radijo bangas ir y-spindulius, kurie inicijuoti procesų seką, kurių rezultate vandenilis atskiriamas iš vandens;
- impulsinė fotolizė - (angį., flash photolysis), kurios metu trumpi šviesos impulsai inicijuoja chemines reakcijas, išskiriančias vandenilį;
- akustinė liuminescencija - (angį., sonoluminiscence), kuri atsiranda dėl akustinės kavitacijos, kai garso bangomis skystyje generuojami maži dujų burbuliukai, kurie staigaus išnykimo metu formuoja aukštas lokalines temperatūras ir spinduliavimą.
Visų išvardintų metodų esmė susiveda į panaudojimą fizikinių-cheminių poveikių, kurių metu vandenilis atskiriamas iš vandens molekulės.
Literatūros šaltiniuose aprašyta kaip vandenilis yra išskiriamas iš vandens garų. Tam tikslui naudojama plazma vandens garuose (J. D. Holladay, J. Hu, D. L. King, Y. Wang, An overvievv of hydrogen production technologies, Catalysis Today, T. 139, leidinys 4, 2009-01-30, psl. 244-260). Plazmoje vandens molekulės sąveikauja su plazmos elektronais, kurie su tam tikra tikimybe nutraukia O-H ryšius. Tačiau, lieka neišspręsta problema kaip išskirti vandenilį iš plazmos.
Literatūroje plačiai aprašyti elektrocheminiai procesai vandeniliui gauti (A. Rosen, Advances in hydrogen production by thermochemical water decomposition: A review, Energy, T. 35, leidinys 2, 2010 m. vasaris, psl. 1068-1076;
http://nccrJitm.acJn/ebook%20final.pdt), tame tarpe fotocheminiai, fotoelektrocheminiai, fotokatalitiniai ir kiti, kurie papildomai naudoja įvairius cheminius reagentus, katalizatorius, elektromagnetines bangas ir elektroninius procesus puslaidininkiuose ir elektrolituose. Laboratorinėse sąlygose termocheminių procesų efektyvumas siekia 38-40 %.
IŠRADIMO ESMĖ
Šio išradimo tikslas - pasiūlyti vandenilio gavybos iš vandens būdą, kurio metu vandenilis gaunamas, skaldant vandens molekules, adsorbuotas ant hidrofilinės T1O2 dangos, kurios paviršius aktyvinamas spinduliuote, ateinančia iš vandens garų plazmos, generuojamos vandens garų aplinkoje. Hidrofilinė T1O2 danga, kurios vienas paviršius kontaktuoja su plazma vandens garuose, o kitas - su metaliniu porėtu elektrodu, funkcionuoja kaip fotoelektrocheminis elementas, pagrįstas šiais oksidacijos - redukcijos procesais. Iš plazmos krintantys fotonai (h v) generuoja puslaidininkinės TiO2 dangos paviršiniame (kelių dešimties nanometrų storio) sluoksnyje elektronus (e) ir skyles (h+) pagal reakciją: TiC>2(k.k.) + 2hv (k.k.) =2h+ (k.k.) + 2e (k.k.), kur k.k. - kietas kūnas. Vandens oksidacijos reakcija vyksta taip: skylės (Λ+) sąveikauja su vandens molekulėmis, adsorbuotomis ant T1O2 paviršiaus, ir jas skaldo j deguonį ir vandenilį. Reakcija aprašoma lygtimi: H2O(TiO2 paviršius) + 2h+(k.k.) -> 1/2C>2(dujos) + 2H+(k.k.). Redukcijos reakcija vyksta taip: vandenilio teigiami jonai H+ difunduoja pro kietą elektrolitą (T1O2 danga) ir kitame jos paviršiuje, tai yra skiriamojoje T1O2 danga/porėtas metalinis padėklas riboje, redukuojąs!: 2H+ (k.k.) + 2e (k.k.) -+ 2H (k.k.). Vandenilio atomai rekombinuoja ir formuoja H2 dujas. Redukcijos reakcijai vykti reikalingi elektronai (2e) pasiekia redukcijos reakcijos zoną išoriniu elektriniu kontūru, kurį sudaro vandens molekulių oksidacijos reakcijos zona -plazma - metalinis įrenginio korpusas - dangos padėklas vandenilio redukcijos reakcijos zona.
Susidariusios H2 molekulės, praėjusios pro porėtą padėklą, surenkamos vandenilio kameroje.
BRĖŽINIŲ FIGŪRŲ APRAŠYMAS
Toliau išradimas bus aprašytas su nuoroda į jj paaiškinančius brėžinius, kuriuose:
Fig. 1 pateikta schema įrenginio, kuriame realizuojamas išradimas;
Fig. 2 pateiktos Ti dangų paviršiaus nuotraukos, gautos elektroniniu skenuojančiu mikroskopu, patvirtinančios H2 dujų susidarymą riboje TiO2/padėklas jonizuotų vandens garų ir nanolašų aplinkoje;
Fig. 3 pateikta schema procesų, paaiškinanti vandenilio gavybą iš vandens.
IŠRADIMO REALIZAVIMO APRAŠYMAS
Fig. 1 pateikta bendra schema reaktoriaus vandeniliui iš vandens gauti. Reaktorius susideda iš trijų kamerų: kameros 1, kurioje formuojami vandens garai, kameros 2, kurioje generuojama plazma vandens garuose, ir kameros 3, kurioje kaupiamos vandenilio molekulės.
Kamerą 1 sudaro vandens rezervuaras 4, kurio temperatūra reguliuojama kaitintuvu 5 taip, kad jame sudaromas pageidaujamas sotinančių vandens garų slėgis, pavyzdžiui, esant virimo temperatūrai 373 K, sotinančių garų slėgis lygus atmosferiniam, t.y. 101,325 kPa. Vandens molekulės iš kameros 1 pro diafragmas (skylutes) 6, kurių skersmuo lygus 20-50 pm ir kurių skaičius gali būti keičiamas nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių, patenka į vakuuminę kamerą 2. Kameroje 2 vakuuminiais siurbliais 7 palaikomas stacionarus vandens garų slėgis intervale 0,510 Pa.
Sienelė, skirianti kamerą 2 nuo kameros 3, padaryta iš porėtų metalinių folijos lakštų 8, kurios praleidžia vandenilį, pavyzdžiui, nerūdijančio plieno 0,2-0,5 mm storio folijų, kurios padengiamos 0,3-0,6 pm storio metalinio titano danga 9. Titano danga ant folijos paviršiaus nusodinama vienu iš pramonėje naudojamų dangų nusodinimo būdu, pavyzdžiui, elektroniniu vakuuminiu garinimu, plazminiu magnetroniniu nusodinimu, ar kitaip.
Kameros 2 darbiniame tūryje, užpildytame vandens garais, sužadinama plazma 10, panaudojant pastovios srovės (arba aukšto dažnio) elektros šaltinį 11. Titano danga vandens garų plazmoje transformuojasi i Ti02 su pagerintomis fotokatalitinėmis savybėmis. Taip suformuotos puslaidininkinės Ti02 dangos yra legiruotos vandenilio atomais (H-Ti02), kurios pasižymi dideliu kvantiniu efektyvumu plačiame, tame tarpe - baltos šviesos, elektromagnetinių bangų diapazone ir pagerintomis fotokatalitinėmis savybėmis.
Titano dangų 9 paviršius, oksiduotas vandens garų plazmos aplinkoje, įgauna hidrofilines savybes. Vandens molekulės, pasiekusios hidrofilinį TiO2 paviršių, veikiamos stiprių poliarizacinių sąveikos jėgų, pasklinda ant jo ir formuoja metastabilų pereinamąjį sluoksnį su didele chemiškai aktyvių OH radikalų koncentracija jame, kurie efektyviai skaldo vandens molekules, ateinančias iš aplinkos. Taip realizuojamos sąlygos, prie kurių vyksta vandens molekulių skaldymas: (i) iš plazmos ateinanti spinduliuotė aktyvina TiO2 paviršių ir (ii) formuoja OH radikalus (aktyvius oksidatorius), kurie reikalingi oksidacijos reakcijai vykti.
Šiame išradime pateiktasis vandenilio gavybos iš vandens būdas realizuojamas šiais etapais:
1. Vanduo 4 uždarame termostate 1 kaitinamas kaitintuvu 5, kuriame sudaromas sotinančių vandens garų slėgis, pavyzdžiui, esant vandens temperatūrai 350 K vandens garų slėgis - 40 kPa;
2. Kameros 1 sienelėje padaromos diafragmos (skylutės) 6, kurių skersmuo 20-50 pm, ir kurių skaičius gali būti keičiamas nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių;
3. Pro skylutes 6 vandens garai veržiasi i vakuuminę kamerą 2, kuri atsiurbiama vakuuminiais siurbliais 7. Nusistovėjus stacionariam dujų padavimo ir atsiurbimo režimui vandens garų slėgis palaikomas intervale 1-10 Pa;
4. Darbinės dujos vienu iš plačiai praktikoje naudojamų būdu, panaudojant pastoviosios srovės ar aukšto dažnio energijos šaltinį 11, jonizuojamos. Darbinių dujų jonizacijos laipsnis sudaro 1-10 %. Vandens garų plazmoje titano danga transformuojasi į TiO2;
5. Ti danga 9 sąveikauja su plazmos 10 spinduliuote ir keičia paviršiaus hidrofobines savybes į hidrofilines;
6. Vandens molekulės, adsorbuotos ant hidrofilinio TiO2 paviršiaus, padengia ji monomolekuliniu sluoksniu su didele OH radikalų koncentracija jame, kurie efektyviai skaldo adsorbuotas vandens molekules;
7. Pagrindiniai procesai, inicijuojantys vandens molekulių skaldymą ant paviršiaus TiO2 dangų, patalpintų vandens garų plazmos aplinkoje: (i) plazmos spinduliuotė aktyvina TiO2 paviršinį sluoksnį, kuriame generuojamos elektroninėsskylinės poros:
TiO2 + 2hv =2h+ + 2e; (ii) skylutės (h+) difunduoja link TiO2 paviršiaus, padengto adsorbuotomis vandens molekulėmis, ir inicijuoja vandens oksidacijos reakciją: H2O + 2h+ -> 1/2O2 + 2H+; (iii) atskilę H+ difunduoja per TiO2 (kietą elektrolitą) ir prisijungia reikiamus elektronus (redukcijos reakcija): 2H+ + 2e -» 2H; (iii) atominis vandenilis rekombinuoja: H + H -> H2 ir formuoja vandenilio molekules. Suminė reakcija: 2H2O + 4 hv-> O2 + 2H2.
Fig. 2 pateiktos Ti dangų paviršiaus nuotraukos, gautos elektroniniu skenuojančiu mikroskopu, patvirtinančios vandenilio atskyrimą iš vandens. Nejonizuotų vandens garų aplinkoje titanas pasidengia plona 5-10 nm storio TiO2 apsaugine plėvele. Kambario temperatūroje apsauginė plėvelė praktiškai pilnai sustabdo paskesnę titano dangos oksidaciją. Dangos paviršius išlieka lygus ir vienalytis (a pav.). Atlikti tyrimai parodė, kad jonizuotų vandens garų aplinkoje metalinio titano 0,2 pm storio danga transformuojasi į TiO2 per 5-10 min, priklausomai nuo plazmos generatoriaus galingumo. Taip suformuota TiO2 danga atlieka funkcijas kieto elektrolito elektrocheminiame elemente, kuriame vyksta plazmos spinduliuote inicijuotos vandens oksidacijos ir vandenilio redukcijos reakcijos. Oksidacijos reakcija vyksta ant TiO2 paviršiaus, kontaktuojančio su vandens garų plazma, o redukcijos skiriamoje TiO2 riboje, kontaktuojančioje su metaline folija, ant kurios formuojama titano danga. Jei metalinė folija yra ne skaidri vandeniliui, H2 molekulės kaupiasi riboje ir sudaro vandenilio burbulus, kurie atplėšia dangą nuo folijos, b ir c pav. stebime titano dangų paviršių vaizdus ant Si padėklų (neskaidrių vandeniliui), registruotus skenuojančiame elektroniniame mikroskope, po jų ekspozicijos vandens garų plazmoje. Matome, kaip vandenilio sankaupos riboje TiO2 padėklas formuoja burbulus (b pav.), kurie atkelia dangą nuo padėkliuko (c pav.).
Fig. 3 iliustruoja procesus, vykstančius fotoelektrocheminiame elemente. Spinduliuotė h v, ateinanti iš plazmos, TiO2 paviršiniame sluoksnyje generuoja elektronines-skylines poras: TiO2(k.k.) + 2hv= 2h+(k.k.) + 2e(k.k.). Skylės (h+), esant monomolekulinei vandens plėvelei ant hidrofilinio TiO2 paviršiaus, vandens oksidacijos metu formuoja H+(k.k.) ir O2 (dujos) : H2 + 2h+ -> 1/2O2(d.) + 2H+(k.k.)). Vandenilio jonai H+, kuriems TiO2 danga yra kietas elektrolitas, difunduoja pro jį, o nespėję rekombinuoti fotoelektronai (2e') patenka j dvigubo krūvio sluoksnį riboje hidrofilinis TiO2/H2O, ir išoriniu kontūru, kurį sudaro plazmos reaktoriaus metalinė sienelė - TiO2 danga - porėtas metalinis padėklas, pasiekia skiriamąją TiO2/padėklas ribą, kur įvyksta vandenilio jonų redukcija ir rekombinacija. Porėtas padėklas praleidžia H2 molekules, kuris surenkamas vandenilio kameroje 3.
Siūlomas vandenilio gavybos būdas suteikia naujas galimybes vandeniliui iš vandens gauti, nenaudojant brangių katalizatorių ir garantuoja 100 % ekologiškai švarią technologiją.
Procesas kontroliuojamas ir lengvai automatizuojamas. Vartotojai turės naują vandenilio iš vandens gavybos technologiją, kuri leis spręsti aktualias vandenilio ekonomikos ir gamtos apsaugos problemas.
Claims (8)
- IŠRADIMO APIBRĖŽTIS1. Vandenilio gavybos iš vandens būdas, apimantis plonų titano dangų nusodinimą ant metalinių vandeniliui skaidrių folijų, jų paskesnį oksidavimą vandens garų plazmoje ir fotokatalitinj vandens molekulių skaldymą, pagrįstą vandens molekulių oksidacijos ir vandenilio redukcijos procesais ant hidrofilinių Ti02 paviršių, aktyvinamų plazmos spinduliuote, besiskiriantis tuo, kada) uždarame termostate 1 sudaro vandens sotinančių garų slėgį, palaikant vandens temperatūrą intervale 300-370 K;b) vandens garus pro skylutes (6), padarytas kameros (1) sienelėje, paduoda j vakuuminę kamerą (2), kurios kita sienelė pagaminta iš metalinės folijos lakštų (8), skaidrių vandenilio molekulėms, padengtų 0,2-0,6 pm storio Ti danga (9);c) kameroje (2) palaiko stacionarų vandens garų slėgį 0,5-10 Pa;d) vandens garus vakuuminėje kameroje (2) dalinai jonizuoja (jonizacijos laipsnis 1-10 %), panaudojant išorinius energijos šaltinius;e) jonizuotų dujų aplinkoje Ti dangą oksiduoja, suteikiant Ti02 paviršiui hidrofilinių savybių ir padengiant metastabilia vandens plėvele;f) oksiduoja vandens molekules, adsorbuotas ant hidrofilinio plazmos spinduliuote aktyvuoto TiO2 paviršiaus: H2O + 2h+ -> 1/2O2 + 2H+;g) desorbuoja molekulinį O2 į supančią aplinką, o H+ perneša per kietą elektrolitą (TiO2) ir pasiekia skiriamąją ribą TiO2/metalinė folija;h) riboje TiO2/metalinė folija vykdo vandenilio redukcijos ir rekombinacijos reakcijas: H++ 2e -> 2H -> H2 (dujos);i) H2 molekules perneša per porėtą elektrodą (8) į vandenilio surinkimo kamerą (3).
- 2. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (a) stadijoje kameroje (1) su 2-5 pm dydžio skylutėmis (6) jos sienelėse sudaro vandens sotinančių garų slėgį reguliuojant vandens temperatūrą intervale 300-370 K.
- 3. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (b) stadijoje kamerą (2), į kurią pro skylutes patenka vandens garai, atsiurbia iki 1-0,1 Pa.
- 4. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (c) stadijoje vandens garus dalinai jonizuoja (jonizacijos laipsnis 1-10 %).
- 5. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (d) stadijoje TiO2 dangos paviršių padaro hidrofiliniu (vandens drėkinimo kampas lygus nuliui).
- 6. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (d) stadijoje hidrofilinę TiO2 dangą padengia vandens monosluoksniu su didele OH radikalų koncentracija ant TiO2 paviršiaus.
- 7. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (e) stadijoje TiO2 dangos paviršinį sluoksnį aktyvina plazmos spinduliuote, kuri inicijuoja vandens oksidacijos reakciją, kurios metu skaldomos vandens molekulės.
- 8. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (f) stadijoje atskilusius H teigiamus jonus difunduoja per kietą elektrolitą ir riboje TiO2 danga/padėklas redukuoja ir formuoja H2 molekules, kurias surenka vandenilio surinkimo kameroje (3).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2013012A LT6111B (lt) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Vandenilio gavybos iš vandens būdas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2013012A LT6111B (lt) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Vandenilio gavybos iš vandens būdas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2013012A LT2013012A (lt) | 2014-09-25 |
| LT6111B true LT6111B (lt) | 2015-01-26 |
Family
ID=51567237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2013012A LT6111B (lt) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Vandenilio gavybos iš vandens būdas |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT6111B (lt) |
-
2013
- 2013-02-13 LT LT2013012A patent/LT6111B/lt not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| J.D.HOLLADAY ET AL.: "An overview of hydrogen production technologies", CATALYSIS TODAY, 2009, pages 244 - 260, XP025801494, DOI: doi:10.1016/j.cattod.2008.08.039 |
| Retrieved from the Internet <URL:http://nccr.iitm.ac.in/ebook%20final.pdt> |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2013012A (lt) | 2014-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huang et al. | Boosting CH3OH production in electrocatalytic CO2 reduction over partially oxidized 5 nm cobalt nanoparticles dispersed on single-layer nitrogen-doped graphene | |
| JP7029420B2 (ja) | 二酸化炭素電解セル用電極触媒層、ならびにそれを具備する、電解セルおよび二酸化炭素電解用電解装置 | |
| Xu et al. | Highly ordered Pd nanowire arrays as effective electrocatalysts for ethanol oxidation in direct alcohol fuel cells | |
| RU2603772C2 (ru) | Воздухопроницаемый электрод и способ применения в расщеплении воды | |
| JP5753641B2 (ja) | 二酸化炭素還元装置および二酸化炭素を還元する方法 | |
| US20100258446A1 (en) | Systems including nanotubular arrays for converting carbon dioxide to an organic compound | |
| US10280525B2 (en) | Photoelectrochemical devices, methods, and systems with a cupric oxide/cuprous oxide coated electrode | |
| Yuan et al. | Inorganic core–shell assemblies for closing the artificial photosynthetic cycle | |
| Cheng et al. | Al2O3 and SiO2 atomic layer deposition layers on ZnO photoanodes and degradation mechanisms | |
| Marschall et al. | Composite proton-conducting polymer membranes for clean hydrogen production with solar light in a simple photoelectrochemical compartment cell | |
| US9567677B2 (en) | Electrochemical method of producing hydrogen peroxide using a titanium oxide nanotube catalyst | |
| JP2015180765A (ja) | 二酸化炭素還元電極及びこれを用いた二酸化炭素還元装置 | |
| Quan et al. | Photoelectrochemical reduction of CO2 over graphene-based composites: basic principle, recent progress, and future perspective | |
| CN101443931A (zh) | 光催化电极和燃料电池 | |
| Yu et al. | Direct Current Pulse Atmospheric Pressure Plasma Jet Treatment on Electrochemically Deposited NiFe/Carbon Paper and Its Potential Application in an Anion-Exchange Membrane Water Electrolyzer | |
| JP6143788B2 (ja) | 触媒電極を製造するための方法、電気化学セルを製造するための方法、及び、電気化学セル | |
| JP6497590B2 (ja) | 水の分解方法、水分解装置および酸素生成用のアノード電極 | |
| Zhang et al. | Simple synthesis of Pt/TiO2 nanotube arrays with high activity and stability | |
| Yadav et al. | Low Pt loading, wide area electrospray deposition technique for highly efficient hydrogen evolving electrode in photoelectrochemical cell | |
| JP5900015B2 (ja) | 燃料電池 | |
| Hattori et al. | All electrochemical fabrication of a bilayer membrane composed of nanotubular photocatalyst and palladium toward high-purity hydrogen production | |
| LT6111B (lt) | Vandenilio gavybos iš vandens būdas | |
| Er et al. | Electrocatalytic Performance of Interconnected Self‐Standing Tin Nanowire Network Produced by AAO Template Method for Electrochemical CO2 Reduction | |
| KR100792152B1 (ko) | 플라즈마 방전을 이용한 전극촉매용 백금계 금속 박막 제조장치 및 이를 이용한 전극촉매용 백금계 금속 박막의 제조방법 | |
| Kang et al. | Photo-assisted electrochemical CO 2 reduction using a translucent thin film electrode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20140925 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20150126 |
|
| MM9A | Lapsed patents |
Effective date: 20160213 |