[发明专利]一种直接光热协同催化甲醇制氢的方法

说明书

本发明公开了一种直接光热协同催化甲醇制氢的方法，是在太阳光照下，采用M/N复合纳米催化剂催化甲醇制氢，该复合纳米催化剂中，M选自铜或其氧化物、Ⅷ‑Ⅹ族金属或金属氧化物，N选自能被太阳光谱短波光激发出电子空穴对的金属氧化物、非金属半导体中的至少一种；M/N兼具光催化以及热催化效益，在吸收太阳光谱长波光并进行光热转换后发生热催化甲醇制氢反应，并且N吸收太阳光谱短波光进行光催化甲醇制氢。本发明采用兼备光催化以及热催化双重催化性能的复合纳米催化剂光热协同催化甲醇制氢，以最简化直接的催化反应方法实现了全光谱下高效甲醇制氢，与纯热催化以及光催化相比，催化性能以及太阳能能量利用效率明显提高。

技术领域

本发明涉及一种甲醇制氢的方法，具体涉及一种直接光热协同催化甲醇制氢的方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

太阳能作为可再生能源，取之不尽用之不竭，太阳能利用都面临着诸多挑战，一方面太阳能辐射波长涵盖紫外、可见和近红外的不同光学波段，但传统技术很难实现全光谱太阳辐射能量利用，另一方面太阳能具有极其不确定性和不及时性，对太阳能稳定高效利用带来难题，因此将太阳能向其他形式能量进行转化及储存非常关键。

太阳能向氢能的转化是太阳能典型能量存储形式，其中最为直接的转换方式为太阳能光催化制氢。在太阳能光子能量的激发下，催化剂价带中的部分电子经过禁带跃迁至上层导带中，实现电子空穴对的跃迁，迁移至催化剂表面的电子空穴对与反应液发生氧化还原反应。尽管太阳能光催化制氢具有绿色环保的优点，但光催化性能受催化剂材料禁带宽度的影响，并且光激发的电子空穴易复合和光谱波段利用较窄(集中在紫外-可见区域)都极大的降低了太阳能的能量利用效率。

太阳能向化学能转化的另一种间接形式为太阳能热化学能催化制氢，通过将太阳能直接转换热能，再通过热化学制氢。目前传统太阳能光热催化甲醇制氢方法通过聚光照射钢管从而向催化剂传递热量，此过程热量传递环节多，导致热阻大，且钢管表面温度高，辐射传热损失大，降低了太阳能利用率。

可见，单纯太阳能光催化制氢以及单纯太阳能热化学催化制氢不利于太阳能高效利用。

发明内容

发明目的：针对现有催化甲醇制氢存在的太阳能利用率低的问题，本发明提供一种直接光热协同催化甲醇制氢的方法。

技术方案：本发明所述的一种直接光热协同催化甲醇制氢的方法，是在太阳光照下，采用M/N复合纳米催化剂催化甲醇制氢，其中，M选自铜或其氧化物、Ⅷ-Ⅹ族金属或金属氧化物，N选自能被太阳光谱短波光激发出电子空穴对的金属氧化物、非金属半导体中的至少一种；该复合纳米催化剂中，M/N吸收太阳光谱长波光进行光热转换后发生热催化甲醇制氢反应，且N吸收太阳光谱短波光进行光催化甲醇制氢。

本发明的一种直接光热协同催化甲醇制氢的方法具体包括如下步骤：

(1)利用毛细作用使甲醇/水反应液浸润M/N复合纳米催化剂；

(2)以太阳光聚光照射M/N复合纳米催化剂，该复合纳米催化剂周围的甲醇/水反应液发生光催化反应和热催化反应，在气液交接处产生氢气。

上述M/N复合纳米催化剂中，M可为Cu、CuO、Pt、Ni、Co、Ru等；N可为ZnO、ZrO₂、TiO₂、SiO₂等中一种、两种或两种以上。

作为优选的，M为CuO，N为ZnO/ZrO₂二元，即M/N复合纳米催化剂为CuO/ZnO/ZrO₂。进一步的，CuO/ZnO/ZrO₂复合纳米催化剂中，CuO的质量百分含量为58～70％，ZnO的质量百分含量为20～23％，ZrO₂的质量百分含量为7～22％；当CuO、ZnO、ZrO₂的质量比为70:23:7时，复合纳米催化剂的光热协同催化性能最佳。