[发明专利]一种光催化燃料电池分解水直接分离制氢的方法有效

专利信息
申请号: 200910039641.7 申请日: 2009-05-21
公开(公告)号: CN101629300A 公开(公告)日: 2010-01-20
发明(设计)人: 李新军;张玉媛 申请(专利权)人: 中国科学院广州能源研究所
主分类号: C25B1/04 分类号: C25B1/04
代理公司: 广州华进联合专利商标代理有限公司 代理人: 莫瑶江
地址: 510640广东省广州市*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 光催化 燃料电池 分解 直接 分离 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及化学和光催化学科及太阳能利用技术领域,尤其涉及一种光催化燃料电池分 解水直接分离制氢的方法。

技术背景

1972年Fujishima发现了二氧化钛光催化分解水效应,此后至80年代初光催化主要用于 分解水制氢方面的研究,尽管在二氧化钛/Pt微电极制备、添加生物质等方法上提高产氢率, 但由于氢的产率太低,并未受到广泛关注。经过30余年的研究,以半导体光催化分解水制氢 的多相光催化(heterogeneous photocatalysis)技术取得了飞速进展。2001年邹志刚、叶金花 等在Nature 2001,414(6864):625-627上发表了题为Direct splitting of water under visible light irradiation with an oxide semiconductor photocatalyst的文章,报道了可见光催化剂在光催化还 原制氢方面的研究,太阳能光催化分解水制氢重新得到人们的重视。

目前太阳能光催化制氢应用的主要问题在于光催化效率较低和光解水制得的氢气和氧气 的分离难题,其中氢氧分离是太阳能光催化分解水制氢应用要解决的主要问题,而光催化效 率影响的是太阳能制氢应用的规模。在目前光催化效率低的情况下,有效地解决光解水制得 的氢气和氧气的分离,可以以该技术与镍氢电池集成开发光充电电池,在便携式电子产品、 军用通讯设备、玩具车等方面具有潜在的应用市场,从而为太阳能的利用除了光伏、光热外, 开拓太阳能光-化学能利用的有效途径。

在光催化分解水制得的氢气和氧气分离方面,目前主要是采用化学试剂比如I-/I2和 Fe2+/Fe3+作为牺牲剂分别来抑制氧气和氢气的产生,这种方法不具实用性。同时亦有采用调节 阳极区和阴极区的pH值如阳极区为NaOH溶液、阴极区为H2SO4溶液的方法分别在阳极区和阴 极区生成O2和H2。这种方法在实用时亦受限制。

发明内容

本发明针对目前太阳能光催化分解水制得的氢气与氧气的分离难题,提出了一种采用氢 燃料电池逆反原理的光催化燃料电池(Photocatalyitc Fuel Cell,PFC)技术分解水直接分 离制氢的方法,研究解决太阳能光解水实用化技术开发的氢气和氧气分离难题。

对于化学反应:aA+bB=cC+dD

吉布斯自由能为:ΔG=ΔG0-RTln K,K为平衡常数

在不考虑电极过程动力学的情况下的电池电压

E=-ΔG0nF+RTnFlnK=E0+RTnFlnK]]>

理论上,大部分ΔG<0的氧化还原化学反应都可以用来设计燃料电池,对于光解水,由于 外界光能进入反应体系,理论上水分解可以在带隙能大于1.23eV的半导体上受光激发下进 行,成为自发反应(ΔG<0),并已被实践证实,因此在原理上完全可以用来设计光催化燃料电 池。由于氧化还原反应分别在两个独立的电极上进行,因此可以实现光解水产物氧气和氢气 的分离。

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