[发明专利]光下裂解水的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光下裂解水的领域。具体地说，本发明涉及利用一系列能够吸收和传递光能的蛋白使得水裂解，进而获得氢的方法。

背景技术

近几十年来，随着全球能源需求的持续增长以及以石油和煤为代表的矿物燃料资源的逐渐耗竭，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的无污染绿色能源，因此受到了各国的高度重视。

目前，制氢的方法主要有以下几种：

1.电解水制氢

电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法。将水作为原料制氢的过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制氢的效率一般在75-85％，其工艺过程简单，无污染。但该方法存在耗电量高等明显缺陷，其应用受到相当限制。

此外，利用光电制氢的方法，即，太阳能氢能系统在国外已有实验性研究。但太阳电池转换能量效率，成本及使用寿命仍是无法克服的障碍。

我国目前的电解制氢装置均为小型电解制氢设备，其目的也非制备氢气作为能源。

2.矿物燃料制氢

以煤、石油及天然气为原料制氢是当今制氢的主要方法。该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。

(1)煤为原料制取氢气

以煤为原料制氢的方法主要有两种：一是煤的焦化(或称高温干馏)，二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在900-1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化剂为水蒸汽或氧(空气)，气体产物中含有氢等组分，其含量随不同气化方法而异。

(2)以天然气或轻质油为原料制取氢气

该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。反应在800-820℃下进行。

(3)以重油为原料部分氧化法制取氢气

重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油，重油与水蒸汽及氧气反应制氢。

以上矿物燃料制氢的方法均存在成本偏高、能耗大、操作复杂以及有污染等缺陷。

1972年，日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO₂单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光下裂解水制氢的道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化(heterogeneous photocatalysis)的演变和TiO₂以外的光催化剂的相继发现，兴起了光下裂解水制氢的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。光催化水裂解生成H₂和O₂是高能垒反应，该类反应的△G>0(△G=237kJ/mo1)，此类反应将光能转化为化学能。目前使用的光催化剂主要有：钽酸盐、铌酸盐、钛酸盐、多元硫化物等等。

但是，迄今为止，人们所研究和发现的光催化剂和光催化体系仍然存在诸多问题，例如，光催化剂大多仅在紫外光区稳定有效，能够在可见光区使用的光催化剂不但催化活性低，而且几乎都存在光腐蚀现象，需使用牺牲剂进行抑制，能量转化效率低，这些都阻碍了光下裂解水的实际应用。

在另一方面，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。

光电池，是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。其能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分，太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面正有着越来越重要的地位。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已经开发用来作为光电池的材料。但目前光电池所用的材料往往比较昂贵，光电池的成本居高不下，从而限制了其广泛应用。

此外，现有技术中将光能转化为化学能的过程不能持续进行，因而不具备产业价值。

综上所述，本领域急需操作简便、零污染、低成本、高效、持续的光下裂解水方法，从而能简便地将光能转化为化学能，进了转变为电能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光裂解水的方法。