一种光催化水制氢反应装置及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及氢气制备领域，具体地涉及一种光催化水制氢反应器装置及应用，尤其涉及一种光催化水制氢反应器装置及应用。
【背景技术】
[0002]太阳能制氢主要集中在如下几种技术:热化学法制氢、电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢和生物制氢。太阳能直接热分解水制氢是最简单的方法，就是利用太阳能聚光器收集太阳能直接加热水，使其达到2500K以上的温度从而分解为氢气和氧气的过程。利用太阳能发电来电解水，也是一种太阳能制氢的手段，但存在的关键问题是如何降低太阳能发电的成本。光催化制氢在太阳能制氢中是最受瞩目的，也是能源化工领域的重大前沿学科。近二三十年来，科研人员投入了大量的精力来做这方面的工作。在太阳能制氛中，最关键的是下面的两个反应:
[0003]H2O — H2+l/202 (I)
[0004]C02+2H20 — CH30H+3/202 (2)
[0005]反应⑴是水在光的作用下，分解释放出氢气和氧气的反应，也是电解水的反应；反应(2)是水和二氧化碳在光的作用下生成有机质，并释放出氧气的过程，类似于植物光合作用的反应。这两个反应本质上都是水的分解反应，也是人类一直在追求的理想反应，被称之为化学领域的“哥德巴赫猜想”。这两个反应本身就可以形成封闭体系，即水分解产生的氢气和氧气，在释放能量的过程中又重新生成了水。一旦这两个反应在工业条件下较好地实现，那时人类就可以不依赖于化石能源了，只需依赖太阳能，就可以实现人类自身的能源供给。
[0006]水分解一直是人类想攻克的难题。众所周知，化学键要打断的话，一是将成键电子激发到反键轨道上，二是外界提供电子到反键轨道上，从而实现化学键的断裂。就水分子而言，要打断氢氧键，将成键轨道上的电子激发到反键轨道上，需要SeV的能量。如果想依靠热来分解水的话，那么将需要2000°C的高温。这种方法耗能高，不经济，且效果差。如果要依靠太阳光直接分解水，那么需要的光波长大约是170nm，然而光线经过大气的吸收、散射，实际到达地面的太阳光中<200nm的光线几乎没有。因此，人们在分解水的探索中选择了光催化的方法。催化的原理就是将热力学上可行的反应，利用催化活化转变为动力学上可行的反应。然而分解水是热力学上不可行的反应。因此，需要向体系里注入能量，使之在热力学上可行。同时为了使反应顺利进行，需降低反应的活化能。
[0007]通过在光催化分解水体系中引入了 T12催化剂，在紫外光的照射下，光催化转化水的量子效率在0.1%以下，经过此后十多年的发展，他们将量子效率提升至20%多。到了 20世纪末，紫外光催化分解水的效率达到70%。由于大气对太阳光的过滤，实际上到达地面的紫外光的能量只占到达地面太阳光总能量的5%，即便将所有的紫外光都利用起来，对太阳光的利用率也是很低的。理论上100nm以下的太阳光都可以催化分解水，但实际上700nm以上的红外光能量太低，还不足以催化分解水。因此，人们目前将注意力主要集中在400-700nm的可见光区，这部分能量占太阳光到达地面总能量的43%，非常有发展前景。从2000年至今，人们又开始开发在可见光照射下的光催化分解水的催化剂，目前最好的量子效率已到达6% -7%。
[0008]由上综述可知，要提高光催化的效率，一方面要在化学角度攻关，即研宄光催化本身；另外一方面要在反应器上下功夫。目前的研宄主要集中在化学催化上，很少有文献报道关于光催化反应器的设计。因此需要设计一种利用太阳光光催化高效制备氢气的反应器装置。超重力技术是过程强化技术的典型代表之一，超重力反应器以其优异的传质和混合强化性能，成为了当前最热门的研宄对象。本发明的太阳光催化水制氢超重力反应器装置有望提升光催化效率，实现太阳光高效制氢的目的。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种光催化水制氢反应装置，从而可以高效地利用太阳光催化水来制备氢气。
[0010]一种光催化水制氢反应装置，所述装置包括外壳、光阳极、阴极转子、离子膜；其中所述光阳极、阴极转子和离子膜位于所述外壳内；所述外壳包括透光的上盖板、透光的下盖板和壳体，所述上盖板上设有阳极入水口，所述下盖板上设有阴极入水口 ；其中所述透光的上盖板与透光的下盖板均与壳体紧密相接；所述光阳极由光催化材料构成，包括阳极圆片和一组阳极同心环片，所述阳极同心环片固设于阳极圆片下表面上；所述阴极转子包括阴极圆片和一组阴极同心环片，所述阴极同心环片固设于所述阴极圆片上表面上；所述阳极同心环片和阴极同心环片交错排列；所述离子膜设于光阳极与阴极转子之间。
[0011]所述透光的上盖板为直射太阳光的接受面，所述透光的下盖板为反射太阳光的接受面。
[0012]优选地，所述阳极同心环片垂直于阳极圆片；优选地，所述阳极同心环片之间具有相同的距离；
[0013]所述光催化材料包括T12、ZnO或ZrO2，优选地为T12。
[0014]所述阴极转子由铂和镍金属复合材料构成，优选地，所述阴极同心环片垂直于阴极圆片；优选地，所述阴极同心环片之间具有相同的距离。
[0015]优选地，所述阳极同心环片平行于阴极同心极环片。
[0016]优选地，所述太阳光催化水制氢超重力反应器装置进一步包括电机和转轴，所述转轴一端与所述电机相连，另一端与阴极圆片相连，优选地转轴连接于阴极圆片的中心；所述电机可通过转轴带动阴极圆片旋转。阴极环片的旋转将有利于气体和液体的分离。
[0017]优选地，所述太阳光催化水制氢超重力反应器装置进一步包括离子膜支撑物，其用于支撑所述离子膜。
[0018]所述离子膜与所述光阳极之间形成氧气发生区；所述离子膜与所述阴极转子形成氢气发生区。
[0019]优选地，所述阳极入水口与氧气发生区相连通；
[0020]优选地，所述阴极入水口与氢气发生区相连通；
[0021]优选地，所述太阳光催化水制氢超重力反应器装置进一步包括氧气出气口，其设于上盖板上，优选地所述氧气出气口设于所述上盖板的中心。
[0022]优选地，所述太阳光催化水制氢超重力反应器装置进一步包括气液分离器，所述气液分离器设于壳体上，且与氢气发生区相连通，包括气液混合区和气体区。
[0023]优选地，所述太阳光催化水制氢反应装置进一步包括氢气出气口，所述氢气出气口与氢气发生区连接。
[0024]本发明进一步包括利用上述的光催化水制氢装置进行分解水制造氢气的应用。
[0025]本发明的有益效果如下:
[0026]本发明装置体积小、结构简单紧凑；可以高效地实现光催化分解水制氢气，在制备的同时，利用超重力技术实现水、氢气、氧气的快速分离，从而显著减少副产物的产生，提高产品收率，降低单位产品的物耗和能耗。
【附图说明】
[0027]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0028]图1示出实施例1中光催化水制氢反应装置的剖视图。
[0029]图2示出实施例1中光催化水制氢反应装置的俯视图。
[0030]110光阳极、111阳极环片、112阳极圆片、120阴极转子、121阴极环片、122阴极圆片、200离子膜、310阳极入水口、320阴极入水口、410氧气出口、420氢气出口、