[发明专利]一种聚光-转光复合增强型太阳能光催化分解水制氢系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种聚光-转光复合增强型太阳能光催化分解水制氢系统，尤其是一种集“聚光、转光和光催化”多种功能于一体的新型循环式太阳能光催化分解水制氢系统。

背景技术：

在解决全球性的能源和环境危机中，利用自然界丰富的太阳能光催化制氢作为是一条可持续发展的新能源途径，正日益受到国际社会的高度关注，太阳能光催化制氢材料与技术已成为当前新能源技术领域的研究热点和重点之一。在太阳能光伏发电电解水制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢、太阳能光催化分解水制氢等几种途径中，利用高效、稳定的太阳光光催化材料构建新型太阳能直接分解纯水制氢(氧)系统最具吸引力，潜在的经济和社会价值巨大。

目前，光催化制氢反应体系主要包括光催化分解纯水制氢体系及含有牺牲试剂制氢体系两大类。与后者相比，具有氧化还原特性的“Z scheme″型光催化体系，由于没有介质的消耗，因而在实际应用方面将会更具优势。随着一些新型光催化材料的出现，如改性TiO₂、TaON、Ta₃N₅、BiVO₄等。人们构建了一些新的光催化制氢系统，如Abe等以Pt/TaON为还原光催化剂，以Pt/WO₃为氧化光催化剂，在IO^-3/I^-溶液中实现了水的分解，量子效率达到了0.14％。通过ZrO₂、CNs改性和纳米结构化，可以显著提高Ta₃N₅的光催化活性，Masashi Tabata等人在IO^-3/I^-溶液中同样也实现了水的直接分解制氢和制氧。由于光转换-催化反应体系性能受到光催化材料光谱响应特性、光子转换效率以及稳定性众多因素的影响，到目前为止，太阳能光催化制氢仍未达到实用化性能要求。

通过国内外文献资料的了解，光催化效果好、性能稳定的光催化材料目前主要是一些在紫外、近紫外高能光子激发下响应好、光子转换效率高的改性的或者是未改性的半导体氧化物、氮氧化物、氮化物材料，如C、N、B、掺杂TiO₂，TaON，Ta₃N₅、CNTs-Ta₃N₅、BiVO₄等，可通过射频磁控溅射、脉冲激光沉积、液相沉积法、溶胶-凝胶等方法制成光催化薄膜进行应用。透明红外转光材料通过双光子、三光子等多光子过程将太阳光中低能态红外光子转换为高能态可见、近紫外或者是蓝绿光。通过光催化和光转换两种不同材料的有效复合，即可获得一种集转光和光催化功能于一体的新型光转换-催化复合材料。到目前为止，这种光转换-催化复合材料以及以它为基础的集“聚光、转光和光催化”多种功能于一体的新型太阳能光催化分解水制氢系统还未出现。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高效、稳定的聚光-转光复合增强型太阳能光催化分解水制氢系统。

本发明的技术方案为：一种聚光-转光复合增强型太阳能光催化分解水制氢系统，其特征是：由太阳光采集-传输单元、光转换-催化制氢反应单元、光转换-催化制氧反应单元和介质循环控制单元组成；太阳光经过太阳光采集-传输单元的采集与传输，注入到光转换-催化制氢反应单元和光转换-催化制氧反应单元，与反应介质产生相互作用，发生光催化制氢反应；其中光转换-催化制氢反应单元由反应器罐体(A)、“光转换-催化”制氢反应阵列、联接器、气体分离膜和反应介质共同组成；太阳光采集-传输单元由菲涅尔透镜、聚光器和太阳能自动跟踪器、导光纤维共同组成；菲涅尔透镜在聚光器的上面，聚光器底部联接导光纤维，光转换-催化制氢反应单元通过“光转换-催化”制氢反应阵列端口的联接器与太阳光采集-传输单元导光纤维的输出端联通，通过反应器罐体(A)上部的氢气输送管道与储氢装置联通；光转换-催化制氧反应单元由反应器罐体(B)、光转换-催化制氧反应阵列、联接器、反应介质和气体分离膜和反应介质共同组成，通过光转换-催化制氧反应阵列端口的联接器与太阳光采集-传输单元导光纤维的输出端联通；光转换-催化制氢反应单元和光转换-催化制氧反应单元，通过介质循环控制单元进行反应介质的循环交换与浓度调控；其中，光转换-催化制氢反应阵列由光转换-催化制氢复合材料组成，并根据需要进行设计组合；光转换-催化制氧反应阵列由光转换-催化制氧复合材料组成，并根据需要进行设计组合。