基本信息
- 項目名稱：
- 光催化水分解/氫燃料電池動力系統(tǒng)原型機
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品欲將光催化制氫技術與燃料電池技術結合起來，設計、構思和集成出以水（海水）作原料以太陽光為驅動的發(fā)電裝置，展現(xiàn)光催化技術實現(xiàn)太陽能到電能轉化的優(yōu)越性。
- 詳細介紹：
- 本作品欲將光催化制氫技術與燃料電池技術結合起來，設計、構思和集成出以水（海水）作原料以太陽光為驅動的發(fā)電裝置，展現(xiàn)光催化技術實現(xiàn)太陽能到電能轉化的優(yōu)越性。 構建的裝置作為一個原理原型裝置，可以展現(xiàn)出光催化技術在未來各個領域，如汽車工業(yè)、國防、民用領域極高的應用價值；作為新能源概念系統(tǒng)，顯示出未來光催化技術和催化技術解決能源和環(huán)境問題發(fā)展前景。 現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)有130多種半導體材料都具有光催化分解水產(chǎn)氫活性。其中，TiO2光催化劑研究得最多，但是它的禁帶寬度為3.2ev，只能吸收紫外光，在可見光照射下沒有光催化分解水活性。硫化物的能隙較窄，可以吸收可見光。其中CdS具有較好的活性，它的禁帶寬度只有2.4ev，其帶隙能較小，跟太陽光譜中的近紫外光段有較好的匹配性能，可以很好的利用自然光源，有很好的放氫活性。在CdS半導體催化劑表面上負載金屬Pt和Pd，可以有效的降低光腐蝕，金屬-半導體界面上形成Schottky能壘是一種有效的電子俘獲阱, 金屬的表面沉積有助于載流子的重新分布，能有效阻止半導體上的電子-空穴再結合，有利于光催化分解水反應的進行，且通常摻雜離子的濃度不高。因此用負載金屬的CdS半導體光催化劑光分解水制氫產(chǎn)量高。 在CdS半導體光催化劑光分解水所產(chǎn)生的氫氣通入氫氧燃料電池，產(chǎn)生的電流使得小風扇轉動。將光催化制氫和氫氧燃料電池這兩者完美的結合成原型機，對解決目前能源短缺問題具有重大的意義。 氫氧燃料電池早有報道，現(xiàn)在所用的氫燃料主要基于以下幾種制氫方法【4】：(1)礦物燃料制氫,但是，從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略來看,該法用礦物燃料換取氫燃料，并非長遠之計。(2)微生物制氫，但是在國內該項技術較為薄弱，而且培養(yǎng)細菌試驗條件要求高。(3)電解水制氫，但是用電分解的方法把氫提取出來，消耗的電能高于所獲得的能量，反而得不償失。 進入21 世紀 ,人類面臨著能源和環(huán)境兩個非常嚴峻的問題。一方面 ,據(jù)專家預測以目前的能源消耗速度 ,即使是地球儲量較豐富的煤炭資源在未來 200 年內也將消耗殆盡 。另一方面 ,化石資源的燃燒所釋放的 CO2 、SO2 等有害氣體又帶來了 “溫室效應”、酸雨等諸多環(huán)境污染問題。因此 ,為了實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展 ,開發(fā)清潔的可再生能源已迫在眉睫。在各種潛在待開發(fā)能源中，氫能是一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源。但是 ,目前氫能的生產(chǎn)還主要是依靠煤、天然氣的重整來獲得,這必然會加劇不可再生能源的消耗并且?guī)憝h(huán)境污染問題。 太陽能是一種取之不盡，用之不竭的能源。地球上豐富的氫能蘊涵于水中?；诎雽w光催化劑和太陽能的光催化分解水制氫的方法是最經(jīng)濟、清潔和實用的方法，代表著國際制氫技術的前沿。太陽光光譜中紫外光占5%，可見光占43%，在可見光條件下高效、穩(wěn)定的光分解水產(chǎn)氫是實現(xiàn)太陽能光催化分解水制氫技術實用化的關鍵。研制具有高可見光活性和光穩(wěn)定性的半導體光催化劑是研究的核心與難點。 氫氣作為能源的應用有多種方式。但氫能通過燃料電池技術可高效轉化為電能，比利用熱機轉化效率更高，可方便地作為各種動力源使用，這是未來氫能利用的最佳方式。目前在國際上光催化制氫和氫氧燃料電池兩方面都在研究，都還沒有將兩者結合起來的原型機的報道。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的是集成創(chuàng)制一個以太陽能為能源以水作為“燃料”的新概念動力裝置，為解決能源及環(huán)境污染問題提供新視野。 作品設計、發(fā)明的基本思路是通過設計一個高效納米光催化水分解產(chǎn)氫裝置，并將其與氫氧燃料電池裝置耦合起來構建一個新型能源動力系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能—電能—機械能的高效轉換。 作品的創(chuàng)新點在于新能源動力原型裝置的集成構思。篩選一種能在可見光照射下光催化分解水產(chǎn)生氫氣的納米催化劑；選擇一個中間裝置將產(chǎn)生的氫氣源源不斷地供給氫氧燃料電池，組裝出一個由水光分解裝置、氫氧燃料電池裝置和驅動負荷裝置（電扇或電燈）三者耦合在一起的、以水作“燃料”的新型太陽能動力裝置原型。 作品的技術關鍵在兩方面：（1）高效光催化劑的篩選及制備。在眾多催化劑中最終選用Pt或Pd擔載的CdS催化劑，其催化水分解產(chǎn)氫速率可滿足電扇負荷裝置輸出額定功率需要；（2）工藝集成及裝置的優(yōu)化設計和組配。 作品的主要技術指標：（1）構建出了一個完整的水分解/燃料電池/負荷演示裝置，用太陽光或人工可見光光源和水驅動負荷運轉；（2）機械輸出功率達到0.012w/s；（3）光能—機械能總轉換效率>5%。
科學性、先進性
- 氫氣是具有高燃燒值、高效率和清潔的可再生能源。目前氫氣的來源：(1)礦物燃料制氫，該法用礦物燃料換取氫燃料，并非長遠之計。(2)微生物制氫，國內該項技術較薄弱，培養(yǎng)細菌試驗條件要求高。(3)電解水制氫，用電分解的方法把氫提取出來，消耗的電能高于獲得的能量。 太陽能的光催化分解水制氫是最經(jīng)濟、清潔和實用的方法，代表著國際制氫技術的前沿。目前在國際上還沒有光催化制氫和氫氧燃料電池兩方面結合起來的原型機報道。本作品將太陽光催化制氫與燃料電池技術結合起來，設計、構思和集成出以水作原料以太陽光為驅動的發(fā)電裝置驅動負荷運轉，展現(xiàn)光催化技術實現(xiàn)太陽能到電能轉化的優(yōu)越性。本作品與太陽能敏化電池等技術相比，在應用的規(guī)?；彤a(chǎn)品的穩(wěn)定性具有更為突出的優(yōu)勢。構建的原型裝置可以展現(xiàn)出光催化技術應用在汽車工業(yè)等民用領域。作為新能源概念系統(tǒng)，顯示出未來光催化技術和催化技術解決能源和環(huán)境問題發(fā)展前景。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年四月獲?！疤魬?zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎 2011年六月獲省“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽三等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 圖片 ，錄像 ，小型模型的現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 作品使用說明：在無氧條件和太陽光照射下, Pt/CdS催化劑先將水高效、穩(wěn)定的光分解成氫氣，再通過燃料電池，使氫氣轉變成電能和水，從而實現(xiàn)水—氫氣—水的循環(huán)利用和太陽能—電能的轉換。產(chǎn)生的電能可儲存，也可直接用于驅動負荷運轉。該工藝過程不僅可開發(fā)出新能源，而且節(jié)能、環(huán)保、零排放。 作品的技術特點和優(yōu)勢：光催化分解水制氫氣可以使用于氫氧燃料電池，氫氣和氧氣源源不斷地送入燃料電池,釋放出能量，于是電池內就產(chǎn)生了持續(xù)電流。燃料電池是把燃料的化學能轉變?yōu)橹绷麟娔艿臒o污染的動力裝置，進而電能轉變?yōu)闄C械能，提供動力。 作品的應用前景及市場分析：燃料電池與電動機結合而形成的新概念動力機可能主宰未來汽車的發(fā)展，且在電子裝置方面的應用也有較大的研發(fā)價值。氫能可應用于航天、發(fā)電站、電動汽車等。隨著制氫技術的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用會不斷普及。光分解水制氫將是未來氫工業(yè)的核心技術，具有很高的社會效益和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 1972年，日本學者Fujishima和Honda，對光照TiO2電極導致水分解產(chǎn)生氫的發(fā)現(xiàn)，揭示了太陽能制氫的可能性。目前，利用太陽能光解制氫的研究主要集中于：（1）光電化學法，即通過光陽極吸收太陽能并將光能轉化為電能。光陽極通常為光半導體材料，受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子－空穴對，陽極和陰極組成光化學電池，在電解質存在下光陽極吸光后在半導體上產(chǎn)生的電子通過外電路流向陰極，水中的質子從陰極上接受電子產(chǎn)生氫氣。這種方法可以分別在兩極得到氫和氧，而不是混合氣。（2）半導體光催化法。將TiO2或CdS等半導體光催化劑微粒直接懸浮在水中進行光解水反應。半導體光催化在原理上類似于光電化學池，細小的半導體微粒可以被看作是一個個微電極，只不過陰極和陽極沒有被隔開，當光照射到水中的催化劑時，便激發(fā)光化學反應，將水分解為氫和氧。 近十年來，雖然光催化研究取得長足進展，但目前仍然存在光催化反應機理的研究不夠深入；不能有效利用可見光等問題。目前的大多數(shù)光催化劑都面臨同樣的問題:(1)能隙太寬,只能響應不足太陽能輻射5%的紫外光區(qū),相對太陽能中47%的可見光利用率很低;（2)價帶和導帶的電位很難同時滿足完全分解水的電位,需要犧牲劑才能實現(xiàn)H2的產(chǎn)生;(3)光生電子空穴易復合,量子效率很低。 通過摻雜的方法，可以拓展光催化劑對光的響應，但催化效果并不理想。為了進一步提高光解水催化劑的光催化活性，均需要在其表面負載Pt、Ru等，并且需要在反應體系中添加Na2S、Na2SO3或CH3OH作為犧牲劑。目前已經(jīng)研究并開發(fā)了一系列能響應紫外光的催化劑，如：TiO2、ZnS、ZrO2、Sr2Nb2O7、SrTa2O6等。但在太陽光譜中，紫外光只占光總能量的4%，而波長λ＞420 nm 的可見光占43％，因此擴大光催化劑的吸收波長范圍，使之響應可見光，是提高產(chǎn)氫速率的根本途徑，同時也是近幾年研究的熱點。近一二十年來,光催化材料的研究經(jīng)歷了從簡單氧化物、復合氧化物、層狀化合物到能響應可見光的光催化材料。對二元半導體復合進行了許多研究，如TiO2/CdS等。 近年來，美國等發(fā)達國家高度重視氫能開發(fā)和利用。我國政府重視發(fā)展氫能。目前，在氫能及燃料電池領域，已經(jīng)形成了從基礎研究、應用研究到示范演示的全方位格局。
