專利名稱：等離子體增強(qiáng)光催化制氫的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將等離子體技術(shù)與光催化制氫技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)等離子體增強(qiáng)光催化制氫，尤其是該等離子體增強(qiáng)光催化制氫方法的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝特征及其應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氫氣是重要的能源材料和工業(yè)氣體原料，具有廣泛應(yīng)用，如，作為火箭發(fā)射的能源材料，應(yīng)用于航天領(lǐng)域；是石油煉化、合成氨等化工領(lǐng)域的關(guān)鍵原料；冶金行業(yè)還原金屬的重要還原劑；半導(dǎo)體、太陽能等新興行業(yè)生產(chǎn)過程中的中間氣體等。當(dāng)前工業(yè)制氫的主要方法為天然氣裂解、電解水制氫、水煤氣提純氫等，這些方法均采用能源材料作為原材料，或者消耗大量的電能。隨著工業(yè)發(fā)展，一次性能源越來越少， 變得昂貴、緊張，新型制氫技術(shù)變得極為迫切。當(dāng)前受到高度關(guān)注、具有重大規(guī)?；瘧?yīng)用前景的新型制氫技術(shù)為光催化制氫，由于不消耗一次能源，是將水分解制氫，生產(chǎn)和使用均不存在任何污染，得到越來越多的研究，并正在走向工業(yè)化。當(dāng)前制約光催化制氫應(yīng)用的關(guān)鍵問題有光轉(zhuǎn)換效率低、不容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、 生產(chǎn)效率有待提高，和生產(chǎn)成本需要進(jìn)一步降低等。本發(fā)明專利，將等離子體技術(shù)與光催化制氫技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)等離子體增強(qiáng)光催化制氫，有效的提高了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)規(guī)模、降低生產(chǎn)成本以及提高光轉(zhuǎn)換效率，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)、應(yīng)用提供了新的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了等離子體技術(shù)與光催化制氫技術(shù)結(jié)合形成一種新型的等離子體增強(qiáng)光催化制氫方法，尤其是該方法所涉及的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝特征及其應(yīng)用。本發(fā)明等離子體增強(qiáng)光催化制氫技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征如附圖1所示，由下列部分組成反應(yīng)容器1，容器1內(nèi)的等離子體電極2和3，容器底部的水溶液4，等離子體電源5，電源與電極之間的連線6，水蒸氣等工作氣體輸入系統(tǒng)7，抽真空系統(tǒng)8，增壓系統(tǒng)9，氫氣收集系統(tǒng)10。本發(fā)明中的電極1或者2表面，存在光催化涂層Ti02，或者為摻雜、表面改性后的 Τ 02涂層，或者其他具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料涂層，如CdS、Sn02、ZnO, ZnS, PbS, Mo03、 SrTi03、V205、W03、MoSi2等。該光催化涂層在存在外光源或者在等離子體激發(fā)下，產(chǎn)生光催化分解水的作用。等離子體增強(qiáng)光催化制氫技術(shù)的工藝過程為，電極1、2之間產(chǎn)生等離子體，促進(jìn)電極1或者2表面的光催化材料的光催化制氫能力，使得電極周圍的水或者水蒸氣分解產(chǎn)生氫氣，并由氫氣收集系統(tǒng)10收集。等離子體增強(qiáng)光催化制氫過程中，工作壓強(qiáng)可以是一定真空到數(shù)十大氣壓，工作容器內(nèi)可以只有氣體、也可以存在水溶液，工作電壓從數(shù)百伏到上萬伏、以產(chǎn)生等離子體為目的，電極間距從小于Imm到密閉容器極限空間大。在工作壓強(qiáng)小于1個(gè)大氣壓的條件下，容器1內(nèi)不存在水溶液4，不需要增壓系統(tǒng) 9，具體結(jié)構(gòu)示意圖如附圖2。在此工作條件下，電極1或者2為金屬電極，另一電極表面存在光催化涂層。在工作壓強(qiáng)為常壓或者高壓時(shí)，容器內(nèi)可以存在水溶液，一般不需要真空系統(tǒng)8 和工作氣體輸入系統(tǒng)7，通過增壓系統(tǒng)9實(shí)現(xiàn)工作氣體輸入，如附圖3。此時(shí)，存在光催化涂層的電極3位于水溶液中，另一金屬電極2利用陶瓷、玻璃、或者聚四氟等高分子絕緣材料包裹，防止放電過程中被擊穿，損壞電源。此時(shí)的等離子體電源可以是直流、交流、脈沖等不同輸出形式的高壓電源。等離子體增強(qiáng)光催化制氫過程中，表面存在光催化涂層的電極能夠被容器外的光線完全照射，即光線到達(dá)電極的需要經(jīng)過的容器1的部分，為透光材料制造；如果沒有光催化涂層的電極影響到光線通過，則該電極需要為點(diǎn)狀、網(wǎng)狀或者線狀結(jié)構(gòu)。光催化涂層電極的形狀一般為平面，根據(jù)實(shí)際需要也可以是球形等曲面形式，或者網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等。所有上述等離子體、光催化結(jié)構(gòu)與組成形式的具體制氫設(shè)備、工藝及其應(yīng)用均為本發(fā)明的專利保護(hù)內(nèi)容。


圖1、等離子體增強(qiáng)光催化制氫設(shè)備結(jié)構(gòu)與組成示意圖1圖中，1 工作容器；2、3 工作電極；4 水溶液；5 等離子體電源；6 :電線；7 氣體輸入系統(tǒng)；8 抽真空系統(tǒng)；9 增壓系統(tǒng)；10 氫氣收集系統(tǒng)圖2、等離子體增強(qiáng)光催化制氫設(shè)備與組成結(jié)構(gòu)示意圖2 (工作壓強(qiáng)小于1個(gè)大氣壓)圖中，1 工作容器；2、3 工作電極；5 等離子體電源；6 電線；7 氣體輸入系統(tǒng)； 8 抽真空系統(tǒng)；10 氫氣收集系統(tǒng)圖3、等離子體增強(qiáng)光催化制氫設(shè)備結(jié)構(gòu)與組成示意圖3 (工作壓強(qiáng)不小于1個(gè)大氣壓)圖中，1 工作容器；2、3 工作電極；4 水溶液；5 等離子體電源；6 電線；9 增壓系統(tǒng)；10:氫氣收集系統(tǒng)
實(shí)施例利用玻璃容器作為工作容器1 ；玻璃容器側(cè)面有玻璃法蘭，將機(jī)械真空泵通過橡皮氣管接在此法蘭上，作為抽真空系統(tǒng)；玻璃容器頂部有開口，可以利用膠皮塞密封，在膠皮塞上加裝電極2、3，電極外與直流電源連接，容器內(nèi)電極上分別接Ti片和表面被氧化、形成致密Ti02膜的Ti片，分別作為放電電極2、3 ；在膠皮塞還開有一小口，裝有玻璃管，玻璃管利用氣管通過氣體流量計(jì)與水蒸氣連接，構(gòu)成工作氣體輸入系統(tǒng)7 ；在機(jī)械泵排氣口，裝有氣管與氫氣收集系統(tǒng)相連，排出的氣體被收集，并將其中的氫氣分離出來收集，構(gòu)成氫氣收集系統(tǒng)10。工作過程中，首先開真空泵，將容器內(nèi)的氣體排空；接著通入工作氣體水蒸氣，同時(shí)開等離子體電源，在電極之間產(chǎn)生等離子體；標(biāo)準(zhǔn)光源直接照射在作為正電極的表面存在Ti02涂層的Ti電極；將從真空泵排出的氣體收集、分離；得到氫氣。
權(quán)利要求
1.本專利涉及一種新型等離子體增強(qiáng)光催化制氫技術(shù)，尤其是該技術(shù)中的設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、工藝特征及其應(yīng)用。
2.如權(quán)利1所示，所涉及到的制氫技術(shù)特征為等離子體增強(qiáng)光催化反應(yīng)制氫。
3.如權(quán)利1所示，所涉及到的等離子體增強(qiáng)光催化反應(yīng)制氫設(shè)備由下列系統(tǒng)組成反應(yīng)器、工作電極、等離子體電源、工作原料(水溶液、水蒸氣等)輸入及增壓系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、氫氣收集系統(tǒng)。其中的核心部分為反應(yīng)器、工作電極及電源、氫氣收集等，其余系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選用。
4.如權(quán)利1所示，設(shè)備組成中所涉及的電極2或者3表面，存在光催化涂層Ti02，或者為摻雜、表面改性后的Ti02涂層，或者其他具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料涂層，如CdS、Sn02、 Zn0,ZnS,PbS,Mo03,SrTi03,V205,W03,MoSi2等。該光催化涂層在存在外光源或者在等離子體激發(fā)下，產(chǎn)生光催化分解水的作用。
5.如權(quán)利1所示，沒有光催化涂層的電極，可以是任何金屬，或者利用陶瓷、玻璃、或者聚四氟等高分子絕緣材料包裹的金屬。電極形狀可以是平面、點(diǎn)狀、網(wǎng)狀、線狀等各種不同形式。
6.如權(quán)利1所示，本發(fā)明等離子體增強(qiáng)光催化制氫技術(shù)的工藝過程為，電極2、3之間產(chǎn)生等離子體，促進(jìn)電極2或者3表面的光催化材料的光催化制氫能力，使得電極周圍的水或者水蒸氣分解產(chǎn)生氫氣，并由氫氣收集系統(tǒng)10收集。主要工藝條件為，工作壓強(qiáng)可以是一定真空到數(shù)十大氣壓，工作容器內(nèi)可以只有氣體、也可以存在水溶液，工作電壓從數(shù)百伏到上萬伏、以產(chǎn)生等離子體為目的，電極間距從小于Imm到密閉容器極限空間大。
7.如權(quán)利1所示，所提到的的等離子體電源可以是直流、交流、脈沖等不同輸出形式的高壓電源。
8.如權(quán)利1所示，外光源的光到達(dá)光催化涂層電極經(jīng)過的反應(yīng)器部分，為透光材料制造。
9.所有上述等離子體、光催化結(jié)構(gòu)形式的具體制氫設(shè)備、工藝及其應(yīng)用均為本發(fā)明的專利保護(hù)內(nèi)容。
全文摘要
一種新型制氫技術(shù)，等離子體增強(qiáng)光催化制氫，該技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)與組成、工藝參數(shù)及其應(yīng)用。該技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)特征為由表面為光催化材料涂層的電極，以及其放電環(huán)境；該技術(shù)的工藝特征為兩個(gè)電極(其中1個(gè)電極表面存在光催化涂層)之間產(chǎn)生等離子體，促進(jìn)電極表面的光催化材料的光催化制氫能力，具體工作壓強(qiáng)可以是一定真空到數(shù)十大氣壓，工作容器內(nèi)可以只有氣體、也可以存在水溶液，工作電壓從數(shù)百伏到上萬伏、以產(chǎn)生等離子體為目的，電極間距從小于1mm到密閉容器極限空間大。
文檔編號(hào)C01B3/04GK102502487SQ20111032784
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者吳波, 楊武保 申請(qǐng)人:吳波, 楊武保