[发明专利]一种分解水器件

摘要

一种分解水器件，它涉及一种分解水装置。本发明的目的是要解决现有分解水器件的成本高，使用的阳极中催化剂与光敏剂协同效果差的问题。一种分解水器件由Co3O4修饰的光阳极、阴极、第一导线、第二导线、电源和装有水的水槽组成；所述的Co3O4修饰的光阳极和阴极设置在装有水的水槽中，Co3O4修饰的光阳极通过第一导线与电源的正极相连接，作为分解水器件的阳极；阴极通过第二导线与电源的负极相连接，作为分解水器件的阴极。本发明分解水器件的水氧化效率为3％～5％，与现有解器件相比，成本降低了99.6％～99.8％。本发明可获得一种分解水器件。

主权项

一种分解水器件，其特征在于一种分解水器件由Co3O4修饰的光阳极(1)、阴极(2)、第一导线(4)、第二导线(5)、电源(3)和装有水的水槽(6)组成；所述的Co3O4修饰的光阳极(1)和阴极(2)设置在装有水的水槽(6)中，Co3O4修饰的光阳极(1)通过第一导线(4)与电源(3)的正极相连接，作为分解水器件的阳极；阴极(2)通过第二导线(5)与电源(3)的负极相连接，作为分解水器件的阴极；所述的Co3O4修饰的光阳极(1)是按以下方法制备的：一、制备TiO2浆料：将TiO2粉体、松油醇和乙基纤维素加入到无水乙醇中，再在搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌2天～3天，再在室温下陈化2天～3天，得到TiO2浆料；步骤一中所述的TiO2粉体与松油醇的质量比为1:(4.5～4.7)；步骤一中所述的TiO2粉体与乙基纤维素的质量比为1:(0.26～0.28)；步骤一中所述的TiO2粉体与无水乙醇的质量比为1:(0.9～1)；二、制备阳极：将FTO导电玻璃进行切割，得到尺寸为1.5cm×2.5cm的FTO导电玻璃；依次使用丙酮、乙醇和去离子水分别对尺寸为1.5cm×2.5cm的FTO导电玻璃超声清洗15min～20min，再将尺寸为1.5cm×2.5cm的FTO导电玻璃浸泡到无水乙醇中15min～20min，得到阳极；步骤二中所述的超声清洗的功率为300W～350W；三、涂覆：采用丝网印刷的方法，将步骤一中得到的TiO2浆料涂覆在步骤二中得到的阳极上，再在室温下放置3min～5min，再放入到温度为90℃～100℃的干燥箱中干燥5min～8min，得到含有TiO2坯片的FTO导电玻璃；四、重复步骤三3次～6次，得到负载厚度为8μm～12μmTiO2坯片的FTO导电玻璃；五、将步骤四得到的负载厚度为8μm～12μmTiO2坯片的FTO导电玻璃放入到温度为320℃～330℃的马弗炉中烧结5min～8min，然后在温度为370℃～380℃下烧结5min～8min，再在温度为450℃～460℃下烧结15min～20min，最后在温度为500℃～510℃下烧结15min～20min，再自然冷却至室温，得到TiO2阳极；六、制备光敏剂Ru(bpy)2(bpyPO3H2)(PF6)2：①、合成4,4′‑二羧酸‑2,2′‑联吡啶：将4,4′‑二甲基‑2,2′‑联吡啶溶解到质量分数为96％～98％的硫酸中，再在搅拌速度为300r/min～400r/min下加入K2Cr2O7至K2Cr2O7溶解到硫酸中，停止搅拌，冷却至室温，得到反应物；将反应物倒入到冰水混合物中，再进行过滤，得到沉淀物质，使用去离子水对沉淀物质进行洗涤2次～3次，再在温度为65℃～80℃下进行干燥3h～5h，得到淡黄色物质；将淡黄色物质加入到6mol/L～7mol/L的硝酸中，再在温度为100℃～110℃下搅拌反应8h～9h，得到反应液；将反应液自然冷却至室温，再倒入到温度为0℃～4℃的蒸馏水中，再进行过滤，得到过滤后的沉淀物质；依次使用蒸馏水和丙酮分别对沉淀物质清洗2次～3次，再在温度为65℃～80℃下干燥3h～5h，得到4,4′‑二羧酸‑2,2′‑联吡啶；步骤六①中所述的4,4′‑二甲基‑2,2′‑联吡啶的质量与质量分数为96％～98％的硫酸的体积比为(1.5g～2g):43mL；步骤六①中所述的K2Cr2O7的质量与质量分数为96％～98％的硫酸的体积比为(8g～9g):43mL；步骤六①中所述的质量分数为96％～98％的硫酸与6mol/L～7mol/L的硝酸的体积比为43:60；②、合成2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲酸甲酯：将4,4′‑二羧酸‑2,2′‑联吡啶加入到无水乙醇中，再在搅拌速度为300r/min～400r/min下加入质量分数为98％的硫酸，再在搅拌速度为300r/min～400r/min和温度为78℃～85℃下搅拌反应45h～50h，再自然冷却至室温，再加入到去离子水中，再在温度为35℃～40℃下减压蒸馏去除无水乙醇，得到反应液；再使用饱和碳酸氢钠溶液调节反应液的pH值为7～8，再进行过滤，再使用去离子水清洗过滤后得到的沉淀物质2次～4次，得到2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲酸甲酯；步骤六②中所述的4,4′‑二羧酸‑2,2′‑联吡啶的质量与无水乙醇的体积比为(1.1g～1.3g):100mL；步骤六②中所述的4,4′‑二羧酸‑2,2′‑联吡啶的质量与质量分数为98％的硫酸的体积比为(1.1g～1.3g):1.5mL；步骤六②中所述的4,4′‑二羧酸‑2,2′‑联吡啶的质量与去离子水的体积比为(1.1g～1.3g):100mL；③、合成2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲醇：将步骤六②得到的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲酸甲酯加入到无水乙醇中，再加入硼氢化钠，再在温度为78℃～85℃和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌反应3h～4h，再自然冷至室温，再使用饱和氯化铵溶液进行萃取，取萃取后得到的有机层进行减压蒸馏，去除无水乙醇，得到固体物质；将固体物质加入到去离子水中，再 使用乙酸乙酯进行萃取，取有机层物质，得到萃取液；使用无水硫酸钠对萃取液进行干燥，再在温度为35℃～40℃下减压蒸馏，去除溶剂，得到2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲醇；步骤六③中所述的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲酸甲酯的质量与无水乙醇的体积比为(0.5g～0.7g):40mL；步骤六③中所述的硼氢化钠的质量与无水乙醇的体积比为(1.6g～1.7g):40mL；步骤六③中所述的无水乙醇与饱和氯化铵溶液的体积比为1:5；步骤六③中所述的固体物质的质量与去离子水的体积比为(0.25g～0.35g):20mL；④、合成2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基溴：将步骤六③得到的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲醇溶解到质量分数为40％的氢溴酸中，再加入质量分数为98％的硫酸，再在搅拌速度为300r/min～400r/min和温度为110℃下搅拌回流6h～7h，再自然冷却至室温，得到反应液；将反应液倒入到去离子水中，再使用质量分数为48％～50％的氢氧化钠调节溶液的pH值为7～7.5，再进行过滤，再使用去离子水对过滤后得到的沉淀物清洗2次～3次，再将清洗后的沉淀物质加入到氯仿中，去除不溶 杂质，得到沉淀物质氯仿溶液；使用无水硫酸钠对沉淀物质氯仿溶液进行干燥20min～30min，再在温度为30℃～35℃下减压蒸馏，去除溶剂，得到2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基溴；步骤六④所述的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲醇的质量与质量分数为40％的氢溴酸的体积比为300mg:(7mL～8mL)；步骤六④所述的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二甲醇的质量与质量分数为98％的硫酸的体积比为300mg:(2mL～3mL)；步骤六④所述的反应液与去离子水的体积比为(8～10):20；⑤、合成2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基磷酸二乙酯：将步骤六④得到的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基溴加入到氯仿中，再加入亚磷酸三乙酯，再在氮气气氛下加热回流24h～26h，再进行减压蒸馏去除氯仿和亚磷酸三乙酯，得到产物；再采用柱分离法对产物进行分离提纯，得到2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基磷酸二乙酯；步骤六⑤所述的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基溴的质量与氯仿的体积比为500mg:(3mL～5mL)；步骤六⑤所述的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基溴的质量与亚磷酸三乙酯的体积比为500mg:(4mL～6mL)；步骤六⑤所述的柱分离法的固定相为300目硅胶，洗脱剂为乙酸乙酯和甲醇的混合物；所述的洗脱剂中乙酸乙酯和甲醇的体积比为8:2；⑥、合成顺式‑二氯双(2,2′‑联吡啶)钌：将RuCl3·3H2O、2,2′‑联吡啶和无水氯化锂溶解到二甲基甲酰胺中，再在温度为130℃～145℃下加热回流8h～10h，再冷却至室温，得到反应液；将反应液倒入到丙酮中，再在温度为0℃下静置8h～10h，析出黑绿色晶体；使用乙醚对黑绿色晶体进行洗涤，再在室温下自然干燥，得到顺式‑二氯双(2,2′‑联吡啶)钌；步骤六⑥所述的RuCl3·3H2O的质量与二甲基甲酰胺的体积比为(1.2g～1.4g):25mL；步骤六⑥所述的2,2′‑联吡啶的质量与二甲基甲酰胺的体积比为(1.5g～1.6g):25mL；步骤六⑥所述的无水氯化锂的质量与二甲基甲酰胺的体积比为(1.3g～1.5g):25mL；步骤六⑥所述的二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为(20～30):125；⑦、合成磷酸酯功能化三联吡啶钌：将步骤六⑥得到的顺式‑二氯双(2,2′‑联吡啶)钌和步骤六⑤得到的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基磷酸二乙酯溶解到去除氧气的无水乙醇和去离子水的混合溶液中，再在氮气气氛和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌反应8h～10h，再减压蒸馏去除无水乙醇和去离子水，得到产物；再采用柱分离法对产物进行分离提纯，得到磷酸酯功能化三联吡啶钌；步骤六⑦所述的顺式‑二氯双(2,2′‑联吡啶)钌的质量与去除氧气的无水乙醇和去离子水的混合溶液的体积比为(310mg～315mg):50mL；步骤六⑦所述的2,2′‑联吡啶‑4,4′‑二亚甲基磷酸二乙酯的质量与去除氧气的无水乙醇和去离子水的混合溶液的体积比为(220mg～225mg):50mL；步骤六⑦所述的去除氧气的无水乙醇和去离子水的混合溶液中无水乙醇与去离子水的体积比为9:1；步骤六⑦所述的柱分离法的固定相为300目硅胶；所述的洗脱剂为丙酮和水的混合物；所述的洗脱剂中丙酮和水的体积比为1:1；⑧、将步骤六⑦得到的磷酸酯功能化三联吡啶钌溶解到去除氧气的6mol/L盐酸中，再在温度为110℃、避光和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌回流12h～14h，再减压蒸馏去除溶剂，得到橙红色固体；将橙红色固体溶于去离子水中，再加入六氟磷酸钾，再在超声功率为300W～350W下超声分散10min～20min，再倒入到冰水混合物中静置20min～30min，得到橙红色絮状沉淀；使用去离子水对橙红色絮状沉淀清洗3次～5次，再在温度为65℃～80℃干燥3h～5h，得到光敏剂[Ru(bpy)2(bpyPO3H2)](PF6)2；步骤六⑧所述的磷酸酯功能化三联吡啶钌的质量与去除氧气的6mol/L盐酸的体积比为(70mg～80mg):20mL；步骤六⑧所述的橙红色固体的质量与去离子水的体积比为(65mg～75mg):5mL；步骤六⑧所述的六氟磷酸钾的质量与去离子水的体积比为300mg:(4mL～6mL)；七、将步骤六得到的光敏剂[Ru(bpy)2(bpyPO3H2)](PF6)2分散到水中，得到浓度为0.15mmol/L～17mmol/L的光敏剂水溶液，将浓度为0.15mmol/L～17mmol/L的光敏剂水溶液加入到不透光的容器中，再将步骤五得到的TiO2阳极浸入到浓度为0.15mmol/L～17mmol/L的光敏剂水溶液中，室温下放置10h～14h，得到表面负载光敏剂的TiO2阳极；首先使用去离子水对表面负载光敏剂的TiO2阳极冲洗2次～3次，再使用无水乙醇对表面负载光敏剂的TiO2阳极冲洗2次～3次，得到清洗后的表面负载光敏剂的TiO2阳极；八、制备Co3O4纳米粒子：①、将四水合乙酸钴溶解到去离子水中，再加入无水乙醇，再在温度为40℃～50℃下搅拌反应10min～15min，再在温度为40℃～50℃下以8滴/min～10滴/min的滴加速度滴入质量分数为25％的氨水，再升温至80℃～85℃，再在温度为80℃～85℃和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌反应2.5h～3.5h，再冷却至室温，得到反应液；将反应液倒入到丙酮中，再在离心速度为4500r/min～5000r/min下离心20min～30min，弃去上清液，得到离心后的沉淀物质；②、将离心后的沉淀物质溶解到甲醇中，再加入丙酮，再在离心速度为4500r/min～5000r/min下离心20min～30min，得到Co3O4催化剂；将Co3O4催化剂在温度为30℃～40℃下干燥2h～3h，得到干燥的Co3O4催化剂；步骤八①中所述的四水合乙酸钴的质量与去离子水的体积比为500mg:(1mL～3mL)；步骤八①中所述的四水合乙酸钴的质量与无水乙醇的体积比为500mg:(20mL～25mL)；步骤八①中所述的四水合乙酸钴的质量与质量分数为25％的氨水的体积比为500mg:(2.5mL～4mL)；步骤八②中所述的离心后的沉淀物质的质量与甲醇的体积比为0.45g:(12mL～20mL)；步骤八②中所述的离心后的沉淀物质的质量与丙酮的体积比为0.45g:(115mL～125mL)；九、将步骤八得到的干燥的Co3O4催化剂加入到除氧后的CH2Cl2中，再在搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌反应20min～30min，再以8滴/min～10滴/min的滴加速度滴入3‑氨丙基‑三乙氧基硅烷，再在室温和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌12h～14h，再进行过滤，得到沉淀物质；使用CH2Cl2对沉淀物质进行清洗2次～5次，再进行干燥，得到改性后的Co3O4；将改性后的Co3O4分散到无水甲醇中，得到改性后的Co3O4分散液；步骤九中所述的干燥的Co3O4催化剂的质量与CH2Cl2的体积比为100mg:(20mL～30mL)；步骤九中所述的干燥的Co3O4催化剂与3‑氨丙基‑三乙氧基硅烷的质量比为100:(350～400)；步骤九中所述的改性后的Co3O4的质量与无水甲醇的体积比为(300mg～370mg):20mL；十、将对甲酰基苯甲酸溶解到无水乙醇中，得到浓度为20mmol/L～25mmol/L的对甲酰基苯甲酸乙醇溶液；将步骤七得到的清洗后的表面负载光敏剂的TiO2阳极浸入到浓度为20mmol/L～25mmol/L的对甲酰基苯甲酸乙醇溶液中30min～40min，再将清洗后的表面负载光敏剂的TiO2阳极取出，再使用无水乙醇对清洗后的表面负载光敏剂的TiO2阳极清洗2次～3次，再在室温下干燥30min～45min，得到对甲酰基苯甲酸乙醇溶液浸泡后的表面负载光敏剂的TiO2阳极；将对甲酰基苯甲酸乙醇溶液浸泡后的表面负载光敏剂的TiO2阳极浸入到步骤九得到的改性后的Co3O4分散液中30min～40min，得到含有Co3O4催化剂的染料敏化TiO2光阳极；十一、合成仿生氧化还原电对2‑(3,5‑二叔丁基‑2‑羟苯基)苯并咪唑‑5‑羧酸：①、将焦硫酸钠溶解到去离子水中，得到焦硫酸钠水溶液；步骤十一①中所述的焦硫酸钠的质量与去离子水的体积比为(0.6g～0.7g):3mL；②、将3,5‑二叔丁基水杨醛溶解到无水乙醇中，得到3,5‑二叔丁基水杨醛无水乙醇溶液；步骤十一②中所述的3,5‑二叔丁基水杨醛的质量与无水乙醇的体积比为(1.3g～1.6g):20mL；③、将焦硫酸钠水溶液分3次～4次加入到3,5‑二叔丁基水杨醛无水乙醇溶液中，再在搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌反应1h～1.5h，得到反应物A；将反应物A分散到无水乙醇中，再进行过滤，得到白色沉淀物质B；使用无水乙醇对白色沉淀物B质进行洗涤3次～5次，得到中间产物磺酸盐；步骤十一③中所述的焦硫酸钠水溶液与3,5‑二叔丁基水杨醛无水乙醇溶液的体积比为20:(3～5)；步骤十一③所述的反应物A的质量与无水乙醇的体积比为(1g～2g):20mL；④、将步骤十一③得到的中间产物磺酸盐和3,4‑二氨基苯甲酸溶于二甲基甲酰胺中，再在温度为105℃～115℃下搅拌反应4h～6h，再冷却至室温，得到反应物C；将反应物C倒入到去离子水中，再进行过滤，得到沉淀物质D；将沉淀物质D溶解到乙酸乙酯中，再减压蒸馏去除乙酸乙酯，得到仿生氧化还原电对2‑(3,5‑二叔丁基‑2‑羟苯基)苯并咪唑‑5‑羧酸；步骤十一④中所述的中间产物磺酸盐的质量与二甲基甲酰胺的体积比为(340mg～350mg):3mL；步骤十一④中所述的3,4‑二氨基苯甲酸的质量与二甲基甲酰胺的体积比为(145mg～160mg):3mL；步骤十一④中所述的反应物C的质量与去离子水的体积比为(200mg～500mg):50mL；步骤十一④中所述的沉淀物质D与乙酸乙酯的体积比为(200mg～500mg):20mL；十二、将步骤十一④得到的仿生氧化还原电对2‑(3,5‑二叔丁基‑2‑羟苯基)苯并咪唑‑5‑羧酸溶解到无水乙醇中，得到0.02mmol/L的仿生氧化还原电对2‑(3,5‑二叔丁基‑2‑羟苯基)苯并咪唑‑5‑羧酸无水乙醇溶液；将步骤十得到的Co3O4催化剂的染料敏化TiO2光阳极浸入到0.02mmol/L的仿生氧化还原电对2‑(3,5‑二叔丁基‑2‑羟苯基)苯并咪唑‑5‑羧酸无水乙醇溶液中1h～2h，再取出，再使用无水乙醇进行清洗3次～5次，再晒干；得到表面负载Co3O4的TiO2阳极，即完成一种TiO2阳极表面负载Co3O4的方法。