光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种利用光催化技术的产电系统。
【背景技术】
[0002]近年来，利用太阳能光催化技术将二氧化碳和水氧化还原为碳氢燃料而备受关注，它能在减少大气中二氧化碳的同时将二氧化碳转化为可利用的燃料，比如甲醇、甲酸、甲烷等，有望同时解决温室效应和能源危机两大难题，具有巨大的应用潜力。该反应只需要在常温常压条件下即可进行。以太阳能作为直接驱动力的光催化转化技术因此成为较为理想的途径，同时受到广大科研工作者的研宄兴趣。
[0003]另一方面，太阳能光催化燃料电池是近几年发展起来的一项新兴技术。它利用生活中的有机废水为原料，通过在光化学作用下，以半导体材料为光催化剂，可以在处理有机废水的同时产电，可谓一举两得。光催化燃料电池技术以廉价的半导体为光催化剂，取代了传统燃料电池以贵金属作为催化剂而无法实现大量量产的尴尬局面，同时光催化剂相比传统贵金属催化剂又能够几乎氧化所有的有机物，适用性更广。但是太阳能光催化燃料电池在消耗有机燃料产电的同时会产生二氧化碳，而光催化还原二氧化碳技术可以将二氧化碳转化为甲醇等有机燃料。因此，二氧化碳、有机燃料将这两种技术联系了起来。。
[0004]目前在实验研宄或投入实际运用的燃料电池中通常以甲醇等有机物作为燃料电池的原材料输入从而实现产电，，为燃料电池的使用增加了成本。
[0005]因此本领域技术人员致力于开发一种利用廉价的半导体光催化剂还原二氧化碳来为燃料电池提供原材料的一体化产电系统。
【发明内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统，包括反应块，所述反应块由有机玻璃或有机硅制成，该反应块内具有上下贯通的反应腔，且该反应块的左、右两端分别设置有进液口和出液口与反应腔相通，所述反应腔的上端开口由上部导电玻璃封闭，该上部导电玻璃朝向反应腔的表面涂有光催化剂，所述反应腔的下端开口由封闭板封闭，该封闭板由左部的下部导电玻璃和右部的碳布拼接而成，所述碳布朝向反应腔的表面涂有铂黑催化剂，该碳纸通过导线和上部导电玻璃相连。
[0008]采用上述结构的产电系统，用太阳光从上往下照射反应块，并将含有二氧化碳的电解质溶液从进液口注入到反应腔内，流经反应腔的左部时，上部导电玻璃上涂的光催化剂在太阳光的照射下，光催化剂的价带上的电子受到激发跃迀到导带，从而在价带上产生光生空穴。虽然光生空穴和光生电子的寿命极短，只有几纳秒，但是光生电子具有极强的还原性，可以将二氧化碳还原为碳氢燃料，从而产生为甲醇、甲酸和甲醛等有机物，这些有机物随着电解质溶液流动到反应腔的右半部。在反应腔的右部，靠近上部导电玻璃处为光阳极，此处光催化剂经太阳光照射产生的光生空穴及其间接转化的羟自由基能够将甲醇、甲酸和甲醛等有机物快速氧化为二氧化碳，同时产生电能，由于碳纸通过导线和上部导电玻璃相连形成回路，在这回路中就产生电能。
[0009]较佳的，所述反应块的出液口与电解质溶液收集器的进液端相连，该反应块的进液口通过蠕动泵与电解质溶液收集器的出液端相连，电解质溶液收集器中的含二氧化碳的电解质溶液又能够作为光催化剂还原二氧化碳的原料，通过耦合光催化还原二氧化碳和光催化燃料电池，将二氧化碳重复利用，实现了二氧化碳的零排放。该耦合系统不需要燃料的供给，便可以将光能转化成电能。
[0010]较佳的，所述下部导电玻璃朝向反应腔的表面涂有光催化剂，能够使反应腔左部流经的电解质液与光催化剂的接触面积更大，为后续的燃料电池提供更多的甲醇等有机物原料。
[0011]较佳的，所述半导体光催化剂为常见的二氧化钛，二氧化钛作为一种廉价的半导体，能够显著降低成本。
[0012]本发明的有益效果是:本发明将光催化还原二氧化碳和光催化燃料电池产电一体化，使两个反应过程相耦合，降低了燃料电池的原料成本，实现了二氧化碳的零排放。
【附图说明】
[0013]图1是本发明一【具体实施方式】的结构示意图。
[0014]图2是图1中反应块的结构示意图。
[0015]图3是本发明的放电性能曲线
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
[0017]如图1和图2所示，本实施例包括包括反应块1、上部导电玻璃2、碳布3、下部导电玻璃4、注射泵5、电解质溶液收集器6和用电设备7，所述反应块I由有机玻璃或有机硅制成，该反应块I内具有上下贯通的反应腔lc，所述反应腔Ic的上端开口由上部导电玻璃2封闭，该上部导电玻璃2朝向反应腔Ic的表面涂有光催化剂层2a，在本实施例中，光催化剂优选为二氧化钛。所述反应腔Ic的下端开口由封闭板封闭，该封闭板由左部的下部导电玻璃4和右部的碳布3拼接而成，且该下部导电玻璃4朝向反应腔Ic的表面涂有光催化剂层4a，在本实施例中，光催化剂优选为二氧化钛。所述碳布3朝向反应腔Ic的表面涂有铂黑催化剂层3a，该碳纸3通过导线和上部导电玻璃2相连。
[0018]所述反应块I的左、右两端分别设置有进液口 Ia和出液口 Ia与反应腔Ic相通，所述反应块I的出液口 Ia与电解质溶液收集器6的进液端相连，该反应块I的进液口 Ia通过蠕动泵5与电解质溶液收集器6的出液端相连。所述反应块I的右半部还与用电设备7相连。
[0019]工作原理:
[0020]用太阳光从上往下照射反应块，并通过蠕动泵5将含有二氧化碳的电解质溶液从进液口 Ia注入到反应腔Ic内，在本实施例中，电解质溶液优选为硫酸溶液。电解质溶液流经反应腔Ic的左部时，上部导电玻璃2上涂的二氧化钛在太阳光的照射下，二氧化钛的价带上的电子受到激发跃迀到导带，从而在价带上产生光生空穴。虽然光生空穴和光生电子的寿命极短，只有几纳秒，但是光生电子具有极强的还原性，可以将二氧化碳还原为碳氢燃料，从而产生为甲醇、甲酸和甲醛等有机物。
[0021]在此处发生的反应方程式为:
[0022]T12+hv — h++e-
[0023]H20+2h+— 1/20 2+2H+
[0024]C02+2e-+2H+— HCOOH
[0025]C02+4e-+4H+— HCHO+H 20
[0026]C02+6e-+6H+— CH 30H+H20
[0027]这些有机物甲醇、甲醛、甲酸随着电解质溶液流动到反应腔Ic的右半部。在反应腔Ic的右部，靠近上部导电玻璃2处为光阳极，此处二氧化钛经太阳光照射产生的光生空穴及其间接转化的羟自由基能够将甲醇、甲酸和甲醛等有机物快速氧化为二氧化碳。
[0028]在此处发生的反应方程式为:
[0029]T12+hv — h.+e-
[0030]R+nh+— R’ +nH +
[0031]其中R表示有机物，R’为还原后的产物，比如CO2
[0032]同时在碳纸3处为空气自呼吸阴极，在此处发生的反应方程式为:
[0033]nH++n/402+ne-— n/2H 20
[0034]由于碳纸3通过导线和上部导电玻璃2相连形成回路，在这回路中就产生电能。
[0035]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统，其特征是:包括反应块(I)，所述反应块(I)由有机玻璃或有机硅制成，该反应块(I)内具有上下贯通的反应腔(1C)，且该反应块(I)的左、右两端分别设置有进液口(Ia)和出液口(Ia)与反应腔(Ic)相通，所述反应腔(Ic)的上端开口由上部导电玻璃(2)封闭，该上部导电玻璃(2)朝向反应腔(Ic)的表面涂有光催化剂，所述反应腔(Ic)的下端开口由封闭板封闭，该封闭板由左部的下部导电玻璃(4)和右部的碳布(3)拼接而成，所述碳布(3)朝向反应腔(Ic)的表面涂有铂黑催化剂，该碳纸(3)通过导线和上部导电玻璃(2)相连。2.如权利要求1所述的光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统，其特征是:所述反应块⑴的出液口(Ia)与电解质溶液收集器(6)的进液端相连，该反应块(I)的进液口(Ia)通过蠕动泵(5)与电解质溶液收集器(6)的出液端相连。3.如权利要求1所述的光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统，其特征是:所述下部导电玻璃(4)朝向反应腔(Ic)的表面涂有光催化剂。4.如权利要求1或3所述的光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统，其特征是:所述光催化剂为半导体光催化剂。
【专利摘要】本发明公开了一种光催化还原二氧化碳以及光催化燃料电池耦合产电系统，反应块内具有上下贯通的反应腔，且该反应块的左、右两端分别设置有进液口和出液口与反应腔相通，所述反应腔的上端开口由上部导电玻璃封闭，该上部导电玻璃朝向反应腔的表面涂有光催化剂，所述反应腔的下端开口由封闭板封闭，该封闭板由左部的下部导电玻璃和右部的碳布拼接而成，所述碳布朝向反应腔的表面涂有铂黑催化剂，该碳纸通过导线和上部导电玻璃相连。本发明将光催化还原二氧化碳和光催化燃料电池产电一体化，使两个反应过程相耦合，降低了燃料电池的原料成本，实现了二氧化碳的零排放。
【IPC分类】H01M8/06, H01M8/22
【公开号】CN104993164
【申请号】CN201510268942
【发明人】陈蓉, 程潇, 王宏, 廖强, 朱恂, 丁玉栋, 叶丁丁, 李俊, 黄云, 付乾
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月25日