[发明专利]一种规模化太阳能光催化-光电催化分解水制氢的方法

说明书

本发明提供了一种高效的规模化太阳能光催化‑光电催化分解水制氢的技术，即粉末光催化剂在太阳光照下将可溶性高价态电子载体转化到低价态实现太阳能的大面积储存同时放出氧气和生成质子，储存电子载体和质子的电解质溶液被输送到光电催化池中。光电催化池的阳极利用太阳光产生光生载流子氧化低价态电子载体至高价态，并在阴极结合质子产生氢气。收集氢气后，电解质溶液被返回至光催化体系循环使用。整个反应全部在太阳光驱动下实现太阳能到氢能的转化。

技术领域

本发明涉及太阳能光化学转化生产太阳燃料技术领域，具体地说是一种通过光催化和光电催化的耦合体系实现规模化太阳能水分解制氢的技术。

背景技术

氢气作为一种清洁能源，具有高燃烧值、零污染排放等优点，常用于燃料电池、氢动力汽车的氢源。同时它也是一种常用的工业原料，广泛应用于合成氨、石油加氢裂解、冶金工业。目前，氢气的制备大多依赖于以化石资源为基础的催化重整反应(如：C+2H₂O→2H₂+CO₂)，可见每生产1吨H₂，需要消耗3吨煤，同时生成11吨CO₂，如此高的碳排放量无疑会对地球的生态环境造成巨大的影响。显然，由化石资源制氢不论从经济效率还是生态文明的可持续发展考虑，均不是持久发展的战略。而化石能源的使用带来了日趋严重的能源危机以及环境问题。因此，发展可再生能源制氢技术是解决能源、环境问题的根本出路。

太阳能是最为丰富的清洁可再生资源，利用太阳能制氢能被认为是未来最理想的制氢途径之一。目前利用太阳能制取氢能的途径主要有：粉末光催化剂体系；光电催化体系以及光伏-电解耦合体系等。其中，粉末光催化剂体系工艺设备简单但是效率很低，而且生成的氢气氧气混合在一起，未来的应用会带来很大的安全隐患，H₂与O₂分离的问题是一个很大的挑战。该体系目前报道的效率最高的体系分别是：紫外光响应的La掺杂的NaTaO₃催化剂(J.Am.Chem.Soc.2003,125,3082-3089)和可见光响应的GaN:ZnO光催化剂(J.Catal.2008,254,198-204)，但是上述体系的太阳能到氢能转化效率仍低于1％，与工业化的要求相差较大；光电催体系光催化分解水体系需要将光催化剂制备成电极，提供额外的偏压下分别在阴阳极实现产氢产氧，目前报道最高的体系是CoPi/Ba-Ta₃N₅作为光阳极在0.9V偏压下太阳能到氢能转化效率为1.5％，以及NiOOH/FeOOH/N-BiVO₄作为光阳极在0.6V偏压的情况下太阳能到氢能转化效率为2.0％(Nat.Commun.,2015,6,8769)，但是光电催化分解水制氢成本相比粉末光催化剂体系高很多，电极的制备过程较为复杂，且工业应用时大面积均匀电极的制备存在很大挑战；将BiVO₄光阳极与双结GaAs/InGaAsP电池耦合成自驱动的器件，最高的太阳能到氢能转化效率可达8.1％(Sci.Rep.,2015,5,11141)，但是光电极及光伏器件的成本及大面积制备等问题限制了该策略进一步规模化应用；光伏-电解耦合体系的太阳能到氢能转化效率最高，采用钙钛矿电池与NiFe复合氧化物电催化剂耦合体系的太阳能制氢效率达到12.3％，(Science,2014,345,1593-1596)采用多结GaInP/GaAs/Ge电池与电解水耦合的太阳能制氢效率已经超过了20％(Energy Environ.Sci.,2015,8,2791-2796)，虽然效率已经超过了工业化应用的要求，但是太阳电池的制备工艺复杂、所需原料昂贵，太阳电池的成本已远超出了化石能源制氢的成本，而且电解的工艺更增加了制氢的成本，使得这种制氢的方法难以实现规模化应用。综上所述，目前这三种途径仍然难以实现大面积规模化的太阳能制氢工业化应用。