一種全綠色光電化學(xué)電池水解制氫的反應(yīng)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種全綠色光電化學(xué)電池水解制氫的反應(yīng)裝置。該裝置包括水輪發(fā)電機(jī)、光電化學(xué)水解裝置、外電路，其中水輪發(fā)電機(jī)的正極連接工作電極,負(fù)極連接到對電極上；水輪發(fā)電機(jī)是將水流動能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生外加電場,主要由水輪機(jī)和螺旋槳組成；光電化學(xué)水解裝置中工作電極是采用磁控濺射法制備的ZnO薄膜封裝后構(gòu)成，或者是采用原子層沉積制備的TiO2薄膜，厚度60nm，300℃下ALD生長的多晶。本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了完全依靠綠色可再生的清潔能源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電化學(xué)電池。本發(fā)明采用的水輪發(fā)電機(jī)通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再連接到光陽極材料上去，在無需外加偏壓的情況下即可高效地分解水產(chǎn)生氫氣，從而節(jié)約了能耗。
【專利說明】
一種全綠色光電化學(xué)電池水解制氫的反應(yīng)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于清潔可再生新能源利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種全綠色光電化學(xué)電池(PEC)水解制氫的反應(yīng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)前能源與環(huán)境問題日益突出的大背景下，尋找清潔可持續(xù)的新能源替代傳統(tǒng)化石能源正受到人們越來越多的關(guān)注。這其中，氫能以其完全清潔燃燒的優(yōu)勢占據(jù)著重要地位。太陽光光催化產(chǎn)氫(利用半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化光能為化學(xué)能來產(chǎn)生氫氣)在新能源領(lǐng)域方面有很好的應(yīng)用前景。目前，直接光催化產(chǎn)氫，即半導(dǎo)體顆粒直接分解水分子存在氣體難以分離和收集等問題。1972年，日本科學(xué)家A.Fujishima和K.Honda首次采用光電化學(xué)法(PEC)利用Ti02吸收太陽能把水分解為氫氣和氧氣，提出了光電分解水制氫的概念，從此吸引了眾多研究者開展廣泛而深入的研究。PEC水解成本低、環(huán)境友好，在一個(gè)光電池里結(jié)合了太陽能的收集和水的電解，是可持續(xù)的新能源的一種利用方式。
[0003]對于光催化制氫催化材料來說，要使水分解釋放出氫氣，熱力學(xué)要求作為光催化材料的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶電位比氫電極電位EHVH2稍負(fù)，而價(jià)帶電位則應(yīng)比氧電極電位Ε02/Η20稍正。實(shí)際上由于反應(yīng)動力學(xué)勢皇的存在，光電化學(xué)分解水制氫過程中，通常需要的電勢要大于水的氧化還原勢(I.23V)，因此，為了使水解過程順利進(jìn)行，必須外加一個(gè)偏壓，而外接電壓的存在會消耗電能，造成能源的浪費(fèi)。常規(guī)電解水來制氫，是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法，但電耗大，所需電能同樣是由石化能源產(chǎn)生來的，發(fā)展?jié)摿τ邢?。從能量利用看，得不償失。所以利用風(fēng)能，水力等清潔可再生能源來提供外加偏壓實(shí)現(xiàn)電解水制氫被認(rèn)為是今后可持續(xù)發(fā)展的最好途徑。
[0004]本專利提供了一個(gè)綠色環(huán)保的解決辦法，充分利用水流或者潮汐等綠色能源，通過水輪發(fā)電機(jī)將水流的動能轉(zhuǎn)化為電能，將上述獲得的電能作用于PEC電極上，在無外加偏壓時(shí)即可以將水高效地分解成氫和氧，在充分利用了清潔能源的同時(shí)，還節(jié)約了能耗。該專利裝置由水輪發(fā)電機(jī)，光電化學(xué)水解裝置及其連接二者的外電路組成。其工作過程為:利用水輪發(fā)電機(jī)將水流動能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生外加電場，并將此外加電場連接到工作電極上，在外電路接通時(shí)即可分解水制氫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全綠色光電化學(xué)電池(PEC)水解制氫的反應(yīng)裝置。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:
[0007]本發(fā)明包括水輪發(fā)電機(jī)、光電化學(xué)(PEC)水解裝置、以及用于連接水輪發(fā)電機(jī)與光電化學(xué)(PEC)水解裝置的外電路，其中水輪發(fā)電機(jī)的正極連接工作電極，水輪發(fā)電機(jī)的負(fù)極連接到對電極上;所述的水輪發(fā)電機(jī)是將水流動能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生外加電場，主要由水輪機(jī)和螺旋槳組成;所述的光電化學(xué)(PEC)水解裝置包括三電極體系、以及電解液，其中三電極體系包括具有光電響應(yīng)能力的工作電極、參比電極及對電極；
[0008]所述的具有光電響應(yīng)能力的工作電極是采用磁控濺射法制備的ZnO薄膜封裝后構(gòu)成，或者是采用原子層沉積(ALD)制備的T12薄膜，厚度60nm，300°CTALD生長的多晶；
[0009]所述的磁控濺射法制備ZnO薄膜是以高純金屬Zn為靶材，濺射工作氣壓0.3Pa，氬氧比3:1 (氣體流量比)，派射速率為5.2nm/min，派射時(shí)間10?30min可調(diào)，所得的ZnO薄膜的厚度為50nm?160nmo
[0010]所述的參比電極為飽和甘汞電極。
[0011]所述的對電極為鍍Pt黑的Pt片。
[0012]所述的電解液為0.5M Na2SO4水溶液。
[0013]經(jīng)測試，本發(fā)明中采用的水輪發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生0.6V的電壓。本發(fā)明利用上述裝置進(jìn)行全綠色光電化學(xué)電池水解制氫，在外加電場的作用下，實(shí)現(xiàn)光解水。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015]本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了完全依靠綠色可再生的清潔能源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電化學(xué)電池。本發(fā)明采用的水輪發(fā)電機(jī)通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再連接到光陽極材料上去，在無需外加偏壓的情況下即可高效地分解水產(chǎn)生氫氣，從而節(jié)約了能耗。
[0016]本發(fā)明的全綠色光電化學(xué)電池水解制氫的反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本，易于規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為將水輪發(fā)電機(jī)連接到ZnO/FTO器件進(jìn)行光解水性能測試的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為無光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖；
[0019]圖3為無光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的效率-電壓曲線圖；
[0020]圖4為無光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-t曲線圖；
[0021]圖5為AM1.5G光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖；
[0022]圖6為AMl.5G光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的效率-V曲線圖；
[0023]圖7為AM1.5G光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-t曲線圖；
[0024]圖8為AM1.5G光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-t曲線圖；
[0025]圖9為無光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖；
[0026]圖10為AM1.5G光照時(shí)，有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的分析。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明裝置包括水輪發(fā)電機(jī)(I)、光電化學(xué)(PEC)水解裝置(2)、以及用于連接水輪發(fā)電機(jī)(I)與光電化學(xué)(PEC)水解裝置(2)的外電路，其中水輪發(fā)電機(jī)的正極連接工作電極，水輪發(fā)電機(jī)的負(fù)極連接到對電極上;所述的水輪發(fā)電機(jī)(I)是將水流動能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生外加電場，主要由水輪機(jī)和螺旋槳組成;所述的光電化學(xué)(PEC)水解裝置(2)包括三電極體系、以及電解液，其中三電極體系包括具有光電響應(yīng)能力的工作電極(以下指代光陽極)、參比電極及對電極；
[0029]實(shí)施例1:ZnO薄膜厚度lOOnm，封裝后作為光陽極，飽和甘汞電極作為參比電極，Pt片為對電極，電解質(zhì)溶液為0.5M的Na2SO4水溶液。如圖1所示。
[0030]在PEC測試過程中，對比了有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V、I_t和效率曲線圖。圖2為無光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖。連接了水輪發(fā)電機(jī)時(shí)，ZnO光陽極的起始電勢由1.12v減小到0.93V。1.5V時(shí)的電流密度由0.014mA/cm2提高至Ij0.040mA/cm2，提高了近3倍。圖3為無光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的效率-電壓曲線圖。由圖可以看出，相對于無外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的情況，有外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)效率提高了近3倍。圖4為無光照時(shí)，0.5V下測試的在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的電流密度-時(shí)間的曲線圖。有外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度為1.784yA/cm2，相對于無外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度提高了近10倍。圖5為AMl.5G光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖。相對于無外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度，有外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度整體都有了提高。圖6為AMl.5G時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的效率-電壓曲線圖。由圖可以看出，相對于無外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的情況，有外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)效率提高了近3倍。圖7為AMl.5G光照時(shí)，0.5V下測試的在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的I_t曲線圖。有外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度為相對于無外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度提高了近1.5倍。
[0031]實(shí)施例2:工作電極為T12薄膜，厚度約60nm，300°C下ALD生長的多晶，飽和甘汞電極作為參比電極，Pt片為對電極，電解質(zhì)溶液為0.5M的Na2SO4水溶液。如圖1所示。
[0032]在PEC測試過程中，對比了有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V、I_t曲線圖。圖8為AM1.5G光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-t曲線圖。無外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度為29yA/cm2，有外接水輪發(fā)電機(jī)時(shí)的電流密度為48yA/cm2，電流密度明顯有提高。圖9為無光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖。連接了水輪發(fā)電機(jī)時(shí)，Ti02光陽極的起始電勢由2.05“咸小到1.78V，起始電勢明顯減小。圖10為AM1.5G光照時(shí)，在有無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的1-V曲線圖。由圖可以看出，有外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)器件的光生電流明顯高于無外接水輪發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)的情況。
[0033]上述實(shí)施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實(shí)施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全綠色光電化學(xué)電池水解制氫的反應(yīng)裝置，其特征在于包括水輪發(fā)電機(jī)、光電化學(xué)水解裝置、以及用于連接水輪發(fā)電機(jī)與光電化學(xué)水解裝置的外電路，其中水輪發(fā)電機(jī)的正極連接工作電極，水輪發(fā)電機(jī)的負(fù)極連接到對電極上;所述的水輪發(fā)電機(jī)是將水流動能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生外加電場，主要由水輪機(jī)和螺旋槳組成;所述的光電化學(xué)水解裝置包括三電極體系、以及電解液，其中三電極體系包括具有光電響應(yīng)能力的工作電極、參比電極及對電極； 所述的具有光電響應(yīng)能力的工作電極是采用磁控濺射法制備的ZnO薄膜封裝后構(gòu)成，或者是采用原子層沉積制備的T12薄膜，厚度60nm，300°C下ALD生長的多晶； 所述的磁控濺射法制備ZnO薄膜是以高純金屬Zn為靶材，濺射工作氣壓0.3Pa，氬氧氣體流量比3:1，派射速率為5.2nm/min，派射時(shí)間10?30min可調(diào)，所得的ZnO薄膜的厚度為50nm?160nm; 所述的參比電極為飽和甘汞電極； 所述的對電極為鍍Pt黑的Pt片； 所述的電解液為0.5M Na2SO4水溶液。
【文檔編號】C25B11/06GK105862061SQ201610210586
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】李紅霞, 席俊華, 董維, 季振國
【申請人】杭州電子科技大學(xué)