[发明专利]由水光催化氢生产和用于其的光解系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于生成双原子氢(diatomichydrogen)的光催化剂和用于制备这种 催化剂的方法以及光解系统。

背景技术

全球水平的能量和环境问题是重要的议题，并且在这个意义上，关注清洁能源的 生成已经有一段时间。作为能量载体的双原子形式的氢具有至少部分满足全球能量需求的 潜力。作为燃料，氢在用于散热和发电需求二者的内燃机、燃气轮机或燃料电池的直接使用 中具有非常多的用途。作为反应组分，氢用在多种工业化学过程中，如例如甲醇、高级烃和 氨的合成中。

遗憾的是，不能大量获得天然的双原子形式的氢(H₂，也称为分子氢或双原子氢)。 而且，由于它的反应性高，氢更通常与其他元素，例如水和烃形式中的氧和/或碳结合。由这 些化合物生成双原子氢与热力学法则冲突，因此需要另外的能量来使这些天然存在的键断 裂。

当双原子氢与氧反应时，释放储存在H-H键中的能量并产生作为最终产物的水 (H₂O)。这与约122千焦/克(kJ/g)的氢的能量密度结合带来了将双原子氢作为燃料使用的 明显优势。

目前，主要由化石燃料、生物质和水产生双原子氢。尽管通过天然气的蒸汽重整产 生双原子氢的技术已经成熟，但是它不能保证是对于氢经济的长期策略，这是因为它既不 是可持续的也不是清洁的。通过水的电解产生双原子氢不是能量有效过程，因为通过该过 程得到的双原子氢带有比产生其所需投入的能量低的能量。

因此，研究的焦点在于开发新的方法以便由可再生资源产生氢。认为生物质是可 再生能源，因为植物通过光合作用过程储存太阳能并且当经历适当的化学过程，即生物质 燃烧时，可以释放该能量。以这种方式，生物质作用为地球上一类天然的能量储存器用于储 存太阳能。

全世界的太阳能利用率是约4.3x10²⁰焦耳/小时(J/h)，对应于约1,000瓦/平方米 (W/m²)的辐射通量密度。约5％的这种太阳能是UV辐射；光能高于3电子伏特(eV)。储存该太 阳能的有利方法是通过生成双原子氢。在这种意义上，可以将太阳能用于光解水或生物质 产物，诸如将生物乙醇光解为双原子氢。