[发明专利]一种利用太阳能分解水制备氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能技术领域，特别是涉及一种利用太阳能分解水制备氢气的方法及装置。

背景技术

太阳能具有储量的“无限性”，可为人类提供一种丰富的、可再生的和清洁(无污染)的能源。到目前为止，在利用太阳能方面，除了太阳能热水器、太阳能电池、太阳能照明等外，还在进行太阳能分解水制氢的研究。自从1972年至今的30多年中，人们围绕利用太阳能分解水制氢开展了各种研究，其中包括太阳能热化学裂解水制氢、太阳能光电化学过程制氢、太阳能光生物化学制氢以及太阳能光伏发电电解水制氢等，取得了一定进展，但目前离实际应用太阳能分解水制氢还有很大差距(参见丁福臣、易玉峰.制氢储氢技术.北京：化学工业出版社，2006.)。其困难和关键点之一是对直射到地球表面的太阳光谱不能全部和有效加以利用。在太阳光谱的能量中，可见光波段(0.4～0.75μm)约占43％，红外波段(>0.75μm)约占48.3％，紫外波段(<0.4μm)约占8.7％，而能量分布最大值所对应的波长是0.475μm。

H₂O是三原子分子ABA(三角型)极性分子。在太阳光直接照射下是不能将水分解成氢和氧的，因为它需要打开水分子的化学键。一般分子间的作用力——范德华引力，是每克分子几千卡，而化学键要比范德华引力大一二个数量级。水在100℃下，从具有分子间作用力的液体，克服了分子间的范德华引力，变成气体；而热解水需要2500K以上的高温热源，尽管聚焦型太阳能集热器的聚光比已达到300～10000，太阳炉的温度可达到1200℃，抛物面反射镜集热器可达4000℃的高温，但在这样的高温下，装置材料、分离氢气和氧气用的膜材料都无法工作。所以太阳能热化学裂解水制氢需要由吸热和放热几步循环反应组成，从而把水分解所需要的温度降为几百摄氏度。太阳能光电化学过程制氢的研究工作，光电催化剂材料是关键。经过30多年的研发，光电催化剂已由最初只能吸收紫外线的半导体TiO₂，发展到可吸收可见光的复合层状物等多种类型催化剂。

在光作用下进行反应的光化反应是由于反应物分子吸收光量子，使分子处于电子激发态甚至电离、分解而导致的化学反应。光化反应所需的活化能来自于吸收光辐射，而进行热反应所需的活化能，来自于反应物分子在频繁碰撞、交换能量过程中所获得的。光化反应的速率其温度系数要比热反应低得多，有的光化反应速率几乎与温度无关。由于光化反应的选择性、反应速度快、能量利用率高等一系列优点，因此在利用太阳能分解水制氢的研究中，给予了高度重视。在直射到地球的太阳光谱中，包含紫外、可见和红外。水对于紫外线和可见光是透明的，而水分子对红外辐射有强烈的选择性吸收作用，如水蒸气在0.94μm、1.14μm、1.38μm、1.87μm、2.7μm和3.2μm波长等都有吸收带，可是太阳辐射光谱在穿过大气层时这些红外辐射恰好又被吸收掉了，见图1。因此地面上接收到的太阳辐射光谱直接用来光解水制氢是困难的。

发明内容

本发明提供一种利用太阳能分解水制备氢气的方法，该发明与以往一切利用太阳能分解水制氢方法的不同之点在于作一个光谱变换，即把直射地面的太阳光谱变换成适合光催化分解水制氢的波长范围。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光谱变换采用空腔辐射器。由于绝对黑体在任何温度下都可把照射在其上任何频率的辐射能完全吸收，而用空腔辐射器可以制造出非常理想的“绝对黑体”，因此用聚焦太阳能可以把空腔辐射器加热到各种温度。由于O-H的特征频率为3730～3500cm^-1，其相应的波长为2.681～2.857μm。从维恩位移定律计算可知：峰值波长2.681～2.857μm的绝对温度范围为1081～1014K(即808～741℃)。所以只要利用聚焦太阳能把空腔辐射器加热到这个温度范围，就可把原来直射地面的太阳光谱中能量分布最大值所对应的波长(0.475μm)转变成光谱亮度最大值所对应的波长(2.681～2.857μm)，见图2。在这个最大值范围两边，布满了水分子的吸收带，因此这一转换非常有利于水对能量的直接吸收。由于催化剂能降低反应的活化能，加快化学反应的速率，因此加入催化剂更有利于水的分解。全球水资源中，海水占97.3％，淡水只占2.7％，因此可以利用太阳能分解海水。海水蒸发以后，残留的盐等固体物可以综合利用。空腔辐射器可采用长的管道形式，以提高水的分解效率。

通过本发明的光谱转换，可充分利用太阳能对水进行分解，从而可达到工业化制氢的目的。

附图说明