[发明专利]一种光电化学分解纯水制备氧气与氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电解纯水的技术领域，特别涉及利用光电化学反应对纯水进行全分解制氢气与氧气的技术领域。

背景技术

自从1968年Boddy、1972年Honda和Fujishima证实了TiO₂半导体电极在光照下可以产生氧气和氢气之后，太阳能制氢技术引起了广泛的研究兴趣。这主要得益于：(1)太阳能具有清洁、储量大、可再生；(2)氢能具有能量密度高、绿色、无污染等优点；(3)通过全分解水产生氧气和氢气，两者发生化学反应生成物只有水，因此该种方法制备的氢燃料具有清洁无污染、可再生、无有害副产品等优点。而结合了太阳能和光电化学合成技术的光电化学制氢被认为是最佳的太阳能制氢技术。然而由于制氢效率低，光电化学制氢技术还远未达到实际应用的水平。另外，目前的研究中为了提高制氢效率通常会在水中加入具有强还原性的牺牲剂(S^-2、I^-1、SO₃^-2等)、碳酸盐、强碱等来改善纯水的导电性、加快光电化学反应动力学过程，以期提高制氢效率。这种方法虽然可以显著提高制氢效率，但是其产物一般只有氢气，其化学反应过程不是全分解水生成氧气和氢气的反应，这就导致所生成的氢气并非可再生的清洁燃料。另外，碳酸盐和强碱的加入使得光电化学反应环境具有强腐蚀性，这提高了光阳极材料的耐腐蚀性要求。

发明内容

基于现有技术必须通过添加其它强还原剂或电解质来实现水的分解的局限性，以及在不加入强还原剂或电解质的情况下单独分解水的低效性，本发明提出一种新的技术方案以对无还原性牺牲剂加入或无其它酸、碱等电解质加入的纯水进行高效地分解，并制得既有氢气又有氧气且只有氢气与氧气的产物。

为达到上述目的，本发明借由以下技术方案来实现：

本发明使用了光电化学反应装置，其主要包括分别与电源正极相连通的光阳极和与电源负极相连通的对电极，以及在光源的作用下由光阳极与对电极插入其中并进行光电化学分解的反应溶液，其中光阳极由导电基底与附着其上的半导体纳米薄膜组成；在以上装置中，加入纯水作为反应溶液，加入活化剂于纯水中，在活化剂分散之后，于光源作用下，对以上反应溶液通电以进行光电化学分解，并收集产物氢气与氧气，加入的活化剂为半导体纳米材料或半导体纳米材料与贵金属相复合的复合纳米材料，它必须满足的条件为：相对于标准氢电极，其价带顶电位比纯水的析氧电位1.23V正方向更大，其导带底电位比0.7V负方向更小。

本发明中使用的满足以上能带结构的活化剂，可以在吸收光能的同时产生电子-空穴对，所产生的电子或者空穴可以与水分子发生反应生成能够激活水分解的还原性和氧化性的物质，包括：H₂O₂，·OH,O₂^-，OH^-和H⁺等，所述还原性和氧化性物质存在于水溶液中，可以促进光电化学反应装置中光阳极上水的氧化反应和对电极上水的还原反应，这与现有的光催化剂进行催化分解水的原理并不相同：光催化剂在光照作用下生成电子-空穴对并和水分子直接发生氧化和还原反应生成氧气和氢气，而上述活化剂是利用活化剂与水分子初步反应产生的氧化性和还原性物质的高反应活性来“激活”水分子，促进水分子在光阳极和对电极上的反应，从而提高水的光电化学反应效率，此处所说的“激活”是指水溶液携带上了上述与活化剂初步反应生成的氧化性和还原性物质，如H₂O₂，·OH,O₂^-，OH^-和H⁺等，从而成为一种高活性的反应溶液。

同时，受到水分子裂解所需吉布斯自由能(237kJ mol^-1)的限制，若使用光催化分解水技术来进行水的分解，所述光催化剂必须满足导带底比水的析氢电势0.00V(相对于标准氢电极)负方向更小，而价带顶必需比水的析氧电势1.23V(相对于标准氢电极)正方向更大，半导体材料的禁带宽度必需大于1.23eV，而本发明中活化剂的要求为相对于标准氢电极，其价带顶电位比纯水的析氧电位1.23V正方向更大，其导带底电位比0.7V负方向更小，满足上述要求的材料的禁带宽度仅大于0.53eV，能带结构的要求明显不同。