一种光催化阳极电极分解水制氧气的装置的制作方法

本实用新型涉及一种光催化阳极电极分解水制氧气的装置。

背景技术：

外太空探索、将来人类在月球或火星上的旅行居住需要携带氧气供乘员使用，由于外太空的无氧环境对乘员生存造成很大的困难，开发地球之外现场制造氧气的新技术一直以来都是这一领域的一大热门课题。传统的方法主要是电解水的产氧方法，此过程通常需要有足够的电力供应。这些电力可能是从太阳板上发电所得，使得成本增加且设备复杂、操作步骤繁琐。利用太阳光下半导体材料催化分解水制氧气和氢气也有诸多文献报导，但这些方法只能分解出少量的氧气和氢气混合气体、实用价值不大，其混合气体的分离耗材或耗电，使成本增高。能否寻找到低耗材、低能耗、低成本的氧气制造新方法非常重要。

事实上，金属氧化物或离子能将太阳光中含有的能量直接转为电子能量，这样的金属氧化物电极不仅能将水分子分解为氧气和氢质子(H⁺)，同时也能产生出电子。当用导线将这些电子引到阴极电极上供给由阳极迁移过来的氢质子(H⁺)时，就能重新组合成氢气。这样分别在阳极上释放氧气而在阴极上释放氢气，只需光的能量，无需电能的消耗。

从热力学上可知，当以上金属氧化物电极吸收了光能后就会提升自身的电极电位和供出电子，只要这个电极电位高于水分解的电位，就可产生出氧气和氢质子(H⁺)。水溶液中氢质子(H⁺)的浓度差，会使其迅速向浓度低的阴极迁移。此时，将在阳极上产生的电子引至阴极电极上，就能与质子(H⁺)重新结合而释放出氢气达到动态平衡。这种很巧妙的设计，能将光能转化为电能同时分解水分子产生氧气、效能极高，无需通过太阳板先进行发电再分解水分子、降低了效率。

与传统的电解法相比有实质上的不同，本实用新型无需电力供应。如已有的相关研究电解制高纯氧(CN104498983A(201410252178.5))不仅要电力供应，还要用贵重的钯或铂脱除氢和可燃性气体。本实用新型制得的氧气和氢气分别在阳极和阴极收集；本实用新型也无需先把光能转变为电能，如光电化学分解制高纯氧气(CN104195588A(201410444414.3))不仅需要光源，还要额外电力(电源)供电。由于无需光电转换过程，无论从理论上分析还是实际运行都表明这种方式能量转换最为高效，设备简单、成本低廉、操作简便，实现光/电能和化学能量的相互转换，直接产生纯净氧气。

与电解水产氧气需要电力方法不同、也与光解产氧气和氢气混合气体的方法不同，本实用新型所用的光电阳极是将光能转化为电子能量在阳极上直接分解水释放氧气，而在阴极上聚集足够的电子提供给H⁺质子转化为氢气，在阴极区域得到纯净的氧气。从根本上克服了电解水/光分解水的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种光催化阳极电极分解水制氧气的装置。

光催化阳极电极分解水制氧气的装置，包括集光镜、光导纤维集束、光电转换阳极电极装置、阳极电极液体储罐、氧气气体收集器、气体导管、氧气气体喷嘴、氧气气液分离器、氧气气体导管、氧气气体储罐、氧气气体输出导管、控制阀门、液体回流管、导线、电流限制器、阴极电极装置、质子离子选择性隔膜、阴极电极液体储罐和氢气气体收集器、氢气气体喷嘴组件、氢气气液分离器、氢气气体导管、氢气气体储罐、氢气气体输出导管，纯水补液管、纯水补液泵、水压控制器；光催化电极分解水制氧装置被质子离子选择性隔膜分为阳极电极液体储罐和阴极电极液体储罐，光电转化阳极电极装置置于阳极电极液体储罐内、阴极电极装置置于阴极电极液体储罐内，光电转化阳极电极装置通过导线和电流限制器与阴极电极装置相连接；集光镜收集到的光经光导纤维集束照射到光电转换阳极电极装置上,光电转换阳极电极装置上产生出的氧气由溶液释放逸出后依次经过氧气气体收集器、气体导管和氧气气体喷嘴后进入氧气气液分离器中，氧气气液分离器中分离出的气体与液体分成两路，液体一路由控制阀门和液体回流管回流到阳极电极液体储罐中，另一路氧气气体流经氧气气体导管储存于氧气气体储罐中，并在储存足够后由氧气气体输出导管输出；阴极电极液体储罐上产生的氢气释放后依次经过氢气气体收集器、气体导管和氢气气体喷嘴后进入氢气气液分离器中，氢气气液分离器中分离出的氢气气体与液体分成两路，液体一路由控制阀门和液体回流管回流到阴极电极液体储罐中，另一路氢气气体流经氢气气体导管储存于氢气气体储罐中，并在储存足够后由氢气气体输出导管输出；阳极电极液体储罐通过纯水补液管连接纯水补液泵，纯水补液管上设有水压控制器和进水控制阀。

基于上述技术方案，还可以进一步提供如下若干种优选方式。

所述的光电转换阳极电极装置由导电电极层置于中间并以多孔性导电粘结层紧密粘贴连接，多孔性导电粘结层的孔径在0.01～1微米之间，导电性网箍层包裹于多孔性导电粘结层外部，导电性网箍层上涂覆多孔性金属氧化物催化层，多孔性金属氧化物催化层的孔径控制在0.1～500微米之间，光电转换阳极电极装置的多层电极结构之间紧密箍扎形成一体。导线与导电电极层以汞齐固接点深埋于多孔性导电粘结层之内，光照发生在多孔性金属氧化物催化层界面上其产生的电子通过导电电极层传出。

所述的光导纤维集束为石英纤维、硬质玻璃纤维中的至少一种，光导纤维数量为1～1000根/平方厘米，其与集光镜相连接。

所述的阳极电极液体储罐与集光镜及光导纤维集束相连接，且集光镜能随光强方向180°旋转，光导纤维集束中传导的光直接照射在光电转换阳极电极装置上。

所述的阳极电极液体储罐内的溶液为含Na₂SO₄、Na₃PO₄、Na₂HPO₄、K₂SO₄、K₃PO₄、K₂HPO₄中一种的含盐水。

所述的质子离子选择性隔膜为传导氢质子的均相离子交换隔膜或异相离子交换多孔性隔膜。

所述的光电转换阳极电极装置的电极材料为惰性铂、石墨、石墨烯、活性炭纤维毡或活性炭纤维布，电极表面涂敷有RuO₂、IrO₂、TiO₂、PbO₂、ZnO、Fe₂O₃、NiO、MnO₂中至少一层导电金属氧化物；阴极电极装置的电极材料为不锈钢电极、石墨、活性炭纤维毡或活性炭纤维布，电极表面涂敷有RuO₂、IrO₂、TiO₂、PbO₂、ZnO、Fe₂O₃、NiO、MnO₂中至少一层的导电金属氧化物。

所述的光电转换阳极电极装置或阴极电极装置的电极形状为网状、孔状或丝栅状。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果：

(1)避免大量使用贵重金属催化剂，能够连续无间断和稳定地产生纯净的氧气，既可应用于地外旅居乘员也能用于需要纯净氧气的特定场合；

(2)不需要额外的电力能量输入，只需要充足的光能；

(3)可实现同时得到纯净的氢气；

(4)可实现对光能的直接回收、无需光电板转换中间过程；

(5)操作简单、条件温和，可以在常温环境下进行，只需将光导纤维连接到有光源的地方就可能在一定距离上产生足够的纯净氧气。

附图说明

图1是光催化阳极电极分解水制氧气的装置结构示意图；

图2是光催化阳极电极分解水制氧气方法原理图；

图3是光催化阳极电极分解水制氧气光电转换阳极电极装置电极结构示意图；

图中：集光镜1、光导纤维集束2、光电转换阳极电极装置3、阳极电极液体储罐4、氧气气体收集器5、气体导管6、氧气气体喷嘴7、氧气气液分离器8、氧气气体导管9、氧气气体储罐10、氧气气体输出导管11、控制阀门12、液体回流管13、导线14、电流限制器15、阴极电极装置16、质子离子选择性隔膜17、阴极电极液体储罐18、光催化电极分解水制氧装置19、氢气气体收集器20、氢气气体喷嘴组件21、氢气气液分离器22、氢气气体导管23、氢气气体储罐24、氢气气体输出导管25、纯水补液管26、纯水补液泵27、水压控制器28、进水控制阀29、汞齐固接点30、导电电极层31、多孔性导电粘结层32、导电性网箍层33、多孔性金属氧化物催化层34。

具体实施方式

如图1所示，光催化阳极电极分解水制氧气的装置，其特征在于包括集光镜1、光导纤维集束2、光电转换阳极电极装置3、阳极电极液体储罐4、氧气气体收集器5、气体导管6、氧气气体喷嘴7、氧气气液分离器8、氧气气体导管9、氧气气体储罐10、氧气气体输出导管11、控制阀门12、液体回流管13、导线14、电流限制器15、阴极电极装置16、质子离子选择性隔膜17、阴极电极液体储罐18和氢气气体收集器20、氢气气体喷嘴组件21、氢气气液分离器22、氢气气体导管23、氢气气体储罐24、氢气气体输出导管25，纯水补液管26、纯水补液泵27、水压控制器28；光催化电极分解水制氧装置19被质子离子选择性隔膜17分为阳极电极液体储罐4和阴极电极液体储罐18，光电转化阳极电极装置3置于阳极电极液体储罐4内，阴极电极装置16置于阴极电极液体储罐18内，光电转化阳极电极装置3通过导线14和电流限制器15与阴极电极装置16相连接；集光镜1收集到的光经光导纤维集束2照射到光电转换阳极电极装置3上产生出的氧气，由溶液释放逸出进入氧气气体收集器5再由气体导管6和氧气气体喷嘴7送入氧气气液分离器8中，并在氧气气液分离器8中分离出气体与液体，气体向上液体向下分成两路，液体一路由控制阀门12和液体回流管13回流到阳极电极液体储罐4中，另一路氧气气体流经氧气气体导管9储存于氧气气体储罐10中，并在储存足够后由氧气气体输出导管11输出；光电转换阳极电极装置3上产生氧气的同时释放电子，经由导线14流经电流限制器15将电能转移到阴极电极装置16上传递给氢质子并在电极上发生化学反应，通过阴极电极液体储罐18将其产生的氢气释放，经由氢气气体收集器20通过气体导管6和氢气气体喷嘴21在氢气气液分离器22中分离出氢气气体与液体，氢气气体向上液体向下分成两路，液体一路由控制阀门12和液体回流管13回流到阴极电极液体储罐18中，另一路氢气气体流经氢气气体导管23储存于氢气气体储罐24中，在储存足够后由氢气气体输出导管25输出；阳极电极液体储罐4通过纯水补液管26连接纯水补液泵27，纯水补液管26上设有水压控制器28和进水控制阀29，阳极电极液体储罐4释放氧气后下降的水位由纯水补液管26、纯水补液泵27经过水压控制器28向阳极电极液体储罐4补充纯水。

集光镜1收集到的光为可见光、紫外光、可见和紫外混合光中的至少一种，在集光镜1上聚集增强后的光源经光导纤维集束2引导照射到光电转换阳极电极装置3的电极表面、在阳极电极上激发将光能转化为电能并在电极上发生分解水化学反应产生出氧气，在溶液中形成酸性氛围，H⁺在阳极区聚集、增浓、形成浓度梯度。光导纤维集束2为石英纤维、硬质玻璃纤维中的至少一种，光导纤维数量至少1～1000根/平方厘米，其与集光镜1相连接。

阳极电极液体储罐4与集光镜1及光导纤维集束2相连接，且集光镜1能随光强方向180°旋转，使其所聚集的太阳光能始终处于达到最大值。光导纤维集束2直接照射在光电转换阳极电极装置3上；阳极电极液体储罐4溶液中释放的氧气逸出进入氧气气体收集器5再由气体导管6和氧气气体喷嘴7在氧气气液分离器8中分离出气体与液体，气体向上液体向下分成两路，液体一路由控制阀门12和液体回流管13回流到阳极电极液体储罐4中，另一路氧气气体流经氧气气体导管9储存于氧气气体储罐10中，通过氧气气体输出导管11得到纯净的氧气输出。

本实用新型中，阳极电极液体储罐4内的溶液为含Na₂SO₄、Na₃PO₄、Na₂HPO₄、K₂SO₄、K₃PO₄、K₂HPO₄中一种的含盐水，含盐量优选为0％～20％，作为电解质使用。阳极电极液体储罐4释放氧气后下降的水位由纯水补液管26、纯水补液泵27经过水压控制器28向阳极电极液体储罐4补充纯水。

本实用新型中，质子离子选择性隔膜17为传导氢质子的均相离子交换隔膜或异相离子交换多孔性隔膜。

本实用新型中，光电转换阳极电极装置3可采用图3所示结构：由导电电极层31置于中间并以多孔性导电粘结层32紧密粘贴连接外部的导电性网箍层33，多孔性导电粘结层32的粘结材料中具有多孔结构，孔径在0.01～1微米之间，导电性网箍层33包裹于多孔性导电粘结层32外部，导电性网箍层33上涂覆多孔性金属氧化物催化层34，多孔性金属氧化物催化层34中的孔径控制在0.1～500微米之间，光电转换阳极电极装置3的上述多层电极结构之间紧密箍扎形成一体。导线14与导电电极层31以汞齐固接点30深埋于多孔性导电粘结层32之内，光照发生在多孔性金属氧化物催化层34界面上其产生的电子穿过各电极结构层的孔隙后通过导电电极层31传出。

光电转换阳极电极装置3中导电电极层31的电极材料为惰性铂、石墨、石墨烯、活性炭纤维毡或活性炭纤维布，电极表面涂敷的导电金属氧化物为RuO₂、IrO₂、TiO₂、PbO₂、ZnO、Fe₂O₃、NiO、MnO₂中至少一层。阴极电极装置16中的电极材料为不锈钢电极、石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布，电极表面涂敷的导电金属氧化物也为RuO₂、IrO₂、TiO₂、PbO₂、ZnO、Fe₂O₃、NiO、MnO₂中至少一层。两个电极根据不同的需要，可制作成网状、孔状、丝栅状。

光电转换阳极电极装置3上的多孔性金属氧化物催化层34的制备方法为：将RuO₂、IrO₂、TiO₂、PbO₂、ZnO、Fe₂O₃、NiO、MnO₂中至少一种导电金属涂覆在导电性网箍层33上，在200-300℃左右温度下烧结12h，形成多孔性金属氧化物催化层34。

本实用新型的工作过程如下：光电转换阳极电极装置3上产生氧气的同时释放电子，经由导线14流经电流限制器15将其中的电能转移到阴极电极装置16上传递给氢质子并在电极上发生化学反应转为氢分子；经集光镜1收集到的光能通过光导纤维集束2直接照射在光电转换阳极电极装置3上，通过阳极电极液体储罐4将其产生的氧气释放，经由氧气气体收集器5通过气体导管6和氧气气体喷嘴7在氧气气液分离器8中分离出氧气气体与液体，氧气气体向上液体向下分成两路，液体一路由控制阀门12和液体回流管13回流到阳极电极液体储罐4中，另一路氧气气体流经氧气气体导管9储存于氧气气体储罐10中，在储存足够后由氧气气体输出导管11输出；阳极电极液体储罐4释放氧气后下降的水位再由纯水补液管26、纯水补液泵27经过水压控制器28向阳极电极液体储罐4补充纯水，即能不断产生纯净的氧气。

基于上述装置，在光催化下分解水制氧气的方法具体如下：含有一定盐浓度的溶液为电解质，光能于电极上产生分解水分子所需的电压，在光电转换阳极电极装置3上催化分解产生O₂，且以纯净的氧气释放；在此同时，产生的电子经由导线14流经电流限制器15将其中的电能转移到阴极电极装置16上传递给氢质子并在电极上发生化学反应；光电转换阳极电极装置3释放氧气后在阳极电极液体储罐4内产生大量H⁺，并由于浓差极化作用通过质子离子选择性隔膜17向阴极电极液体储罐18迁移；迁移到阴极电极液体储罐18的H⁺与阴极电极装置16传导来的电子相结合转化为H₂，且以氢气气体释放形成回路，反应达到平衡；阳极电极液体储罐4释放氧气后下降的水位经由纯水补液管26、纯水补液泵27和水压控制器28向阳极电极液体储罐4补充纯水，不断产生纯净的氧气与氢气在分隔的阳极电极液体储罐4和阴极电极液体储罐18上方分别收集。

下面将上述装置用于后续各实施例的试验中。

实施例1

采用如图1所示的一种光催化电极阳极分解水制氧气的装置，在阳极电极液体储罐中添加～5％的Na₂HPO₄水溶液、阳极电极涂覆Fe₂O₃/NiO混合物形成的的导电金属，于太阳光照射下1小时收集氧气。得产生的氧气流量为50L/h，阳极电极液体储罐中水位下降后添加40mL纯水恢复到最初状态。在氧气气体储罐上方的气体输出导管，抽取氧气经过气相色谱仪分析氧气气体储罐回收获得的氧气纯度为99.0％-99.5％的O₂气体，其余的0.5％-1.0％杂质为H₂O。其中，光催化电极阳极和阴极电极的有效面积为10.0cm*12.0cm。

实施例2

操作步骤与实施例1相同，所不同的是如图2所示的调节集光镜使集光镜对准太阳光。将从在氧气气体储罐上方的气体输出导管氧气和在氢气气体储罐上方的氢气气体经过输出导管引到由陶瓷燃烧器组成的量热器，经过太阳光照射下1小时收集的氧气和氢气产生热能测得产生的热量大约为1000KJ、燃烧器上方收集的产物为水汽。经过无水氯化钙吸收后称重增重约为38克。

实施例3

操作步骤与实施例1相同，从在氧气气体储罐上方的气体输出导管氧气和在氢气气体储罐上方的氢气气体经过输出导管引到由陶瓷燃烧器组成的量热器，经过太阳光照射下1小时收集的氧气和氢气产生热能、加热涂覆有稀土的发光丝网，其产生的光度与500W的卤光灯相当。

实施例4

操作步骤与实施例1相同，从在氢气气体储罐上方的氢气气体经过输出导管引到由陶瓷燃烧器组成的反应器，并在反应器内放置氧化铜化合物，经过太阳光照射下1小时收集到产生的水有约35克。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制。例如光电转换阳极电极装置和阴极电极装置也可采用现有技术中的其他结构，只要能够实现相应的功能即可。因此，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。