太阳能光解水制氢的装置及方法

本发明涉及氢气制作，具体地，涉及一种太阳能光解水制氢的装置及方法。

背景技术：

1、日益剧增的能源消耗和每况愈下的环境问题引发新一轮全球性的可持续清洁能源的探索开发，同时开发新型清洁高效能源是实现双碳目标愿景的主要途径。其中，氢能是最具发展潜力的二次清洁能源。利用光催化技术实现分解水制备氢能(her)的技术路线，由于太阳能驱动以及整体装置简易且易规模化，具有能量输入低和碳输出低的技术优势和成本优势。

2、现有公开号为cn213011952u的中国专利申请文献，其公开了一种光控型制氢器，包括：壳体以及设置在壳体内的光源和制氢箱，制氢箱包括内部中空且顶部设置有出气口的箱体以及设置在箱体内的导光板和硼化氢纳米片，光源朝向导光板出光，导光板出射的光线射向硼化氢纳米片，硼化氢纳米片光解产生氢气并通过箱体的出气口输出。

3、现有技术中的太阳能光催化产氢反应器都是以液相层面的反应为主，氢气脱附的动力学阻碍及太阳能入射光能量在液相中的损耗都是目前产氢反应中存在的本质问题。而且，在常规测试及产氢系统中，往往需要真空条件，这与反应条件及光催化颗粒性质等密切相关，常压条件下的产氢效率会受到抑制。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种太阳能光解水制氢的装置及方法。

2、根据本发明提供的一种太阳能光解水制氢的装置,包括底板和盖板，所述底板和盖板二者配合形成有容纳液体的空腔，所述盖板靠近底板的侧面自靠近盖板的一侧向远离盖板的一侧依次设置有纳米催化颗粒层、亲水膜以及毛细输导孔板，且所述毛细输导孔板背离亲水膜的一侧伸入空腔内；所述底板上设置有进水口和出水口，且所述进水口和出水口二者分别与空腔连通，所述盖板包括透光石英玻璃，光线自所述透光石英玻璃射入；液体自所述进水口流入空腔内并从出水口流出，空腔内的液体经毛细输导孔板的毛细作用输送至亲水膜，并在纳米催化颗粒层的作用下光解。

3、优选地，所述底板内形成有上侧敞开的凹槽，所述凹槽的周侧内壁形成有台阶面；所述毛细输导孔板放置于台阶面上，所述毛细输导孔板的中部具有凸起部，所述凸起部设置有微孔，所述凸起部伸入台阶面下侧的空腔内。

4、优选地，所述毛细输导孔板为亲水材料制成，所述毛细输导孔板的微孔直径为d2,微孔间距为w2；其中，d2＝0.01mm至1mm，w2＝2d2至10d2。

5、优选地，所述盖板与底板之间设置有硅胶垫片，且所述盖板和底板二者通过紧固密封组件连接；所述盖板上设置有出气口。

6、优选地，所述纳米催化颗粒层采用喷涂法、抽滤法等方式负载于亲水膜上，催化颗粒包括二氧化钛、硫化镉、钛酸锶中的一种或多种；所述亲水膜的厚度为0.01mm至5mm，所述亲水膜的平均孔径为0.01微米至10微米，所述亲水膜的基底材料包括多孔纤维。

7、优选地，将纳米催化颗粒层和亲水膜替换为双面亲疏水膜，所述双面亲疏水膜的亲水面靠近毛细输导孔板，所述双面亲疏水膜的疏水面靠近盖板，且所述双面亲疏水膜的疏水面负载纳米催化颗粒。

8、优选地，所述透光石英玻璃的厚度为0.1mm至5mm，所述透光石英玻璃采用胶合方式安装在盖板的中心处。

9、根据本发明提供的一种太阳能光解水制氢的方法,制氢方法包括如下步骤：

10、步骤s1、将液体自进水口输入空腔内；

11、步骤s2、空腔中的液体在毛细输导孔板的作用下输导至纳米催化颗粒层；

12、步骤s3、液体在纳米催化颗粒层进行光解水反应生成氢气。

13、根据本发明提供的一种太阳能光解水制氢的方法,制氢方法包括如下步骤：

14、步骤s1、使用微流泵将储水罐中的液体输入至空腔内；

15、步骤s2、空腔中的液体在毛细输导孔板的作用下输导至纳米催化颗粒层；

16、步骤s3、聚光器将太阳光反射并聚焦到纳米催化颗粒层进行光解水反应生成氢气；

17、步骤s4、产生的氢气在压力表和阀门控制下输送并储存在储气罐中。

18、优选地，所述微流泵的流量为0至50ml/min；所述液体包括纯水或加入牺牲剂产氢的体系；所述聚光器材料采用能够对太阳光中紫外光线具有反射及聚光功能的铝材质。

19、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

20、1、本发明通过利用微孔阵列排布的毛细输导孔板作为吸收层引入毛细作用，同时利用全亲水薄膜负载光催化剂作为反应载体，位于下方液相的水汽通过中间吸收层输运到上方液膜处进行光催化产氢反应，便于直接接收入射光并释放氢气于气相中。

21、2、本发明通过采用亲水膜作为粉末光催化剂的载体，使负载的纳米催化颗粒层介于气液两相界面层附近，通过毛细输导孔板的毛细效应、亲水膜的表面亲疏水性，使液相的水从薄膜下表面在毛细作用力驱动下渗透至上表面并形成液膜，在自下而上的浸润过程中，水分子与负载的粉末光催化剂充分接触并发生光催化分解水反应。

22、3、本发明通过设置在底板内的凹槽，凹槽周侧内上的台阶面，实现将毛细输导孔板放置于台阶面上，毛细输导孔板中部的凸起部伸入台阶面下侧的空腔内，一方面实现毛细输导孔板在底板上的安装，另一方面保证毛细输导孔板能够与液体接触。

技术特征：

1.一种太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，包括底板(38)和盖板(33)，所述底板(38)和盖板(33)二者配合形成有容纳液体的空腔，所述盖板(33)靠近底板(38)的侧面自靠近盖板(33)的一侧向远离盖板(33)的一侧依次设置有纳米催化颗粒层(35)、亲水膜(36)以及毛细输导孔板(37)，且所述毛细输导孔板(37)背离亲水膜(36)的一侧伸入空腔内；

2.如权利要求1所述的太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，所述底板(38)内形成有上侧敞开的凹槽，所述凹槽的周侧内壁形成有台阶面；

3.如权利要求2所述的太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，所述毛细输导孔板(37)为亲水材料制成，所述毛细输导孔板(37)的微孔直径为d2,微孔间距为w2；

4.如权利要求1所述的太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，所述盖板(33)与底板(38)之间设置有硅胶垫片(34)，且所述盖板(33)和底板(38)二者通过紧固密封组件连接；

5.如权利要求1所述的太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，所述纳米催化颗粒层(35)采用喷涂法、抽滤法等方式负载于亲水膜(36)上，催化颗粒包括二氧化钛、硫化镉、钛酸锶中的一种或多种；

6.如权利要求1所述的太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，将纳米催化颗粒层(35)和亲水膜(36)替换为双面亲疏水膜，所述双面亲疏水膜的亲水面靠近毛细输导孔板(37)，所述双面亲疏水膜的疏水面靠近盖板(33)，且所述双面亲疏水膜的疏水面负载纳米催化颗粒。

7.如权利要求1所述的太阳能光解水制氢的装置，其特征在于，所述透光石英玻璃(31)的厚度为0.1mm至5mm，所述透光石英玻璃(31)采用胶合方式安装在盖板(33)的中心处。

8.一种太阳能光解水制氢的方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的太阳能光解水制氢的装置，制氢方法包括如下步骤：

9.一种太阳能光解水制氢的方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的太阳能光解水制氢的装置，制氢方法包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的太阳能光解水制氢的方法，其特征在于，所述微流泵(1)的流量为0至50ml/min；

技术总结
本发明提供了一种太阳能光解水制氢的装置及方法，包括底板和盖板，底板和盖板二者配合形成有容纳液体的空腔，盖板靠近底板的侧面自靠近盖板的一侧向远离盖板的一侧依次设置有纳米催化颗粒层、亲水膜以及毛细输导孔板，且毛细输导孔板背离亲水膜的一侧伸入空腔内；液体自进水口流入空腔内并从出水口流出，空腔内的液体经毛细输导孔板的毛细作用输送至亲水膜，并在纳米催化颗粒层的作用下光解。能够在常压条件下进行，而且以气相中的太阳光、液膜、纳米催化颗粒的气液固三相界面为反应层，实现光、水资源的有效利用，减少了太阳光能量在液相中的消耗，解决了液相中产氢气泡脱附困难及动力学阻碍等问题，大幅度提升太阳能光催化分解水产氢效率。

技术研发人员：朱勇,严嘉玮,上官文峰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16