光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種利用光催化技術(shù)的產(chǎn)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，利用太陽能光催化技術(shù)將二氧化碳和水氧化還原為碳氫燃料而備受關(guān)注，它能在減少大氣中二氧化碳的同時將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可利用的燃料，比如甲醇、甲酸、甲烷等，有望同時解決溫室效應和能源危機兩大難題，具有巨大的應用潛力。該反應只需要在常溫常壓條件下即可進行。以太陽能作為直接驅(qū)動力的光催化轉(zhuǎn)化技術(shù)因此成為較為理想的途徑，同時受到廣大科研工作者的研宄興趣。
[0003]另一方面，太陽能光催化燃料電池是近幾年發(fā)展起來的一項新興技術(shù)。它利用生活中的有機廢水為原料，通過在光化學作用下，以半導體材料為光催化劑，可以在處理有機廢水的同時產(chǎn)電，可謂一舉兩得。光催化燃料電池技術(shù)以廉價的半導體為光催化劑，取代了傳統(tǒng)燃料電池以貴金屬作為催化劑而無法實現(xiàn)大量量產(chǎn)的尷尬局面，同時光催化劑相比傳統(tǒng)貴金屬催化劑又能夠幾乎氧化所有的有機物，適用性更廣。但是太陽能光催化燃料電池在消耗有機燃料產(chǎn)電的同時會產(chǎn)生二氧化碳，而光催化還原二氧化碳技術(shù)可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇等有機燃料。因此，二氧化碳、有機燃料將這兩種技術(shù)聯(lián)系了起來。。
[0004]目前在實驗研宄或投入實際運用的燃料電池中通常以甲醇等有機物作為燃料電池的原材料輸入從而實現(xiàn)產(chǎn)電，，為燃料電池的使用增加了成本。
[0005]因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于開發(fā)一種利用廉價的半導體光催化劑還原二氧化碳來為燃料電池提供原材料的一體化產(chǎn)電系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)，包括反應塊，所述反應塊由有機玻璃或有機硅制成，該反應塊內(nèi)具有上下貫通的反應腔，且該反應塊的左、右兩端分別設(shè)置有進液口和出液口與反應腔相通，所述反應腔的上端開口由上部導電玻璃封閉，該上部導電玻璃朝向反應腔的表面涂有光催化劑，所述反應腔的下端開口由封閉板封閉，該封閉板由左部的下部導電玻璃和右部的碳布拼接而成，所述碳布朝向反應腔的表面涂有鉑黑催化劑，該碳紙通過導線和上部導電玻璃相連。
[0008]采用上述結(jié)構(gòu)的產(chǎn)電系統(tǒng)，用太陽光從上往下照射反應塊，并將含有二氧化碳的電解質(zhì)溶液從進液口注入到反應腔內(nèi)，流經(jīng)反應腔的左部時，上部導電玻璃上涂的光催化劑在太陽光的照射下，光催化劑的價帶上的電子受到激發(fā)躍迀到導帶，從而在價帶上產(chǎn)生光生空穴。雖然光生空穴和光生電子的壽命極短，只有幾納秒，但是光生電子具有極強的還原性，可以將二氧化碳還原為碳氫燃料，從而產(chǎn)生為甲醇、甲酸和甲醛等有機物，這些有機物隨著電解質(zhì)溶液流動到反應腔的右半部。在反應腔的右部，靠近上部導電玻璃處為光陽極，此處光催化劑經(jīng)太陽光照射產(chǎn)生的光生空穴及其間接轉(zhuǎn)化的羥自由基能夠?qū)⒓状?、甲酸和甲醛等有機物快速氧化為二氧化碳，同時產(chǎn)生電能，由于碳紙通過導線和上部導電玻璃相連形成回路，在這回路中就產(chǎn)生電能。
[0009]較佳的，所述反應塊的出液口與電解質(zhì)溶液收集器的進液端相連，該反應塊的進液口通過蠕動泵與電解質(zhì)溶液收集器的出液端相連，電解質(zhì)溶液收集器中的含二氧化碳的電解質(zhì)溶液又能夠作為光催化劑還原二氧化碳的原料，通過耦合光催化還原二氧化碳和光催化燃料電池，將二氧化碳重復利用，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放。該耦合系統(tǒng)不需要燃料的供給，便可以將光能轉(zhuǎn)化成電能。
[0010]較佳的，所述下部導電玻璃朝向反應腔的表面涂有光催化劑，能夠使反應腔左部流經(jīng)的電解質(zhì)液與光催化劑的接觸面積更大，為后續(xù)的燃料電池提供更多的甲醇等有機物原料。
[0011]較佳的，所述半導體光催化劑為常見的二氧化鈦，二氧化鈦作為一種廉價的半導體，能夠顯著降低成本。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將光催化還原二氧化碳和光催化燃料電池產(chǎn)電一體化，使兩個反應過程相耦合，降低了燃料電池的原料成本，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明一【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是圖1中反應塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的放電性能曲線
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明:
[0017]如圖1和圖2所示，本實施例包括包括反應塊1、上部導電玻璃2、碳布3、下部導電玻璃4、注射泵5、電解質(zhì)溶液收集器6和用電設(shè)備7，所述反應塊I由有機玻璃或有機硅制成，該反應塊I內(nèi)具有上下貫通的反應腔lc，所述反應腔Ic的上端開口由上部導電玻璃2封閉，該上部導電玻璃2朝向反應腔Ic的表面涂有光催化劑層2a，在本實施例中，光催化劑優(yōu)選為二氧化鈦。所述反應腔Ic的下端開口由封閉板封閉，該封閉板由左部的下部導電玻璃4和右部的碳布3拼接而成，且該下部導電玻璃4朝向反應腔Ic的表面涂有光催化劑層4a，在本實施例中，光催化劑優(yōu)選為二氧化鈦。所述碳布3朝向反應腔Ic的表面涂有鉑黑催化劑層3a，該碳紙3通過導線和上部導電玻璃2相連。
[0018]所述反應塊I的左、右兩端分別設(shè)置有進液口 Ia和出液口 Ia與反應腔Ic相通，所述反應塊I的出液口 Ia與電解質(zhì)溶液收集器6的進液端相連，該反應塊I的進液口 Ia通過蠕動泵5與電解質(zhì)溶液收集器6的出液端相連。所述反應塊I的右半部還與用電設(shè)備7相連。
[0019]工作原理:
[0020]用太陽光從上往下照射反應塊，并通過蠕動泵5將含有二氧化碳的電解質(zhì)溶液從進液口 Ia注入到反應腔Ic內(nèi)，在本實施例中，電解質(zhì)溶液優(yōu)選為硫酸溶液。電解質(zhì)溶液流經(jīng)反應腔Ic的左部時，上部導電玻璃2上涂的二氧化鈦在太陽光的照射下，二氧化鈦的價帶上的電子受到激發(fā)躍迀到導帶，從而在價帶上產(chǎn)生光生空穴。雖然光生空穴和光生電子的壽命極短，只有幾納秒，但是光生電子具有極強的還原性，可以將二氧化碳還原為碳氫燃料，從而產(chǎn)生為甲醇、甲酸和甲醛等有機物。
[0021]在此處發(fā)生的反應方程式為:
[0022]T12+hv — h++e-
[0023]H20+2h+— 1/20 2+2H+
[0024]C02+2e-+2H+— HCOOH
[0025]C02+4e-+4H+— HCHO+H 20
[0026]C02+6e-+6H+— CH 30H+H20
[0027]這些有機物甲醇、甲醛、甲酸隨著電解質(zhì)溶液流動到反應腔Ic的右半部。在反應腔Ic的右部，靠近上部導電玻璃2處為光陽極，此處二氧化鈦經(jīng)太陽光照射產(chǎn)生的光生空穴及其間接轉(zhuǎn)化的羥自由基能夠?qū)⒓状?、甲酸和甲醛等有機物快速氧化為二氧化碳。
[0028]在此處發(fā)生的反應方程式為:
[0029]T12+hv — h.+e-
[0030]R+nh+— R’ +nH +
[0031]其中R表示有機物，R’為還原后的產(chǎn)物，比如CO2
[0032]同時在碳紙3處為空氣自呼吸陰極，在此處發(fā)生的反應方程式為:
[0033]nH++n/402+ne-— n/2H 20
[0034]由于碳紙3通過導線和上部導電玻璃2相連形成回路，在這回路中就產(chǎn)生電能。
[0035]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)，其特征是:包括反應塊(I)，所述反應塊(I)由有機玻璃或有機硅制成，該反應塊(I)內(nèi)具有上下貫通的反應腔(1C)，且該反應塊(I)的左、右兩端分別設(shè)置有進液口(Ia)和出液口(Ia)與反應腔(Ic)相通，所述反應腔(Ic)的上端開口由上部導電玻璃(2)封閉，該上部導電玻璃(2)朝向反應腔(Ic)的表面涂有光催化劑，所述反應腔(Ic)的下端開口由封閉板封閉，該封閉板由左部的下部導電玻璃(4)和右部的碳布(3)拼接而成，所述碳布(3)朝向反應腔(Ic)的表面涂有鉑黑催化劑，該碳紙(3)通過導線和上部導電玻璃(2)相連。2.如權(quán)利要求1所述的光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)，其特征是:所述反應塊⑴的出液口(Ia)與電解質(zhì)溶液收集器(6)的進液端相連，該反應塊(I)的進液口(Ia)通過蠕動泵(5)與電解質(zhì)溶液收集器(6)的出液端相連。3.如權(quán)利要求1所述的光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)，其特征是:所述下部導電玻璃(4)朝向反應腔(Ic)的表面涂有光催化劑。4.如權(quán)利要求1或3所述的光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)，其特征是:所述光催化劑為半導體光催化劑。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光催化還原二氧化碳以及光催化燃料電池耦合產(chǎn)電系統(tǒng)，反應塊內(nèi)具有上下貫通的反應腔，且該反應塊的左、右兩端分別設(shè)置有進液口和出液口與反應腔相通，所述反應腔的上端開口由上部導電玻璃封閉，該上部導電玻璃朝向反應腔的表面涂有光催化劑，所述反應腔的下端開口由封閉板封閉，該封閉板由左部的下部導電玻璃和右部的碳布拼接而成，所述碳布朝向反應腔的表面涂有鉑黑催化劑，該碳紙通過導線和上部導電玻璃相連。本發(fā)明將光催化還原二氧化碳和光催化燃料電池產(chǎn)電一體化，使兩個反應過程相耦合，降低了燃料電池的原料成本，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放。
【IPC分類】H01M8/06, H01M8/22
【公開號】CN104993164
【申請?zhí)枴緾N201510268942
【發(fā)明人】陳蓉, 程瀟, 王宏, 廖強, 朱恂, 丁玉棟, 葉丁丁, 李俊, 黃云, 付乾
【申請人】重慶大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年5月25日