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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 光催化水分解/氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)原型機(jī)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品欲將光催化制氫技術(shù)與燃料電池技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)、構(gòu)思和集成出以水（海水）作原料以太陽(yáng)光為驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，展現(xiàn)光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能轉(zhuǎn)化的優(yōu)越性。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品欲將光催化制氫技術(shù)與燃料電池技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)、構(gòu)思和集成出以水（海水）作原料以太陽(yáng)光為驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置，展現(xiàn)光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能轉(zhuǎn)化的優(yōu)越性。 構(gòu)建的裝置作為一個(gè)原理原型裝置，可以展現(xiàn)出光催化技術(shù)在未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域，如汽車(chē)工業(yè)、國(guó)防、民用領(lǐng)域極高的應(yīng)用價(jià)值；作為新能源概念系統(tǒng)，顯示出未來(lái)光催化技術(shù)和催化技術(shù)解決能源和環(huán)境問(wèn)題發(fā)展前景。 現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)有130多種半導(dǎo)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(jiàn)光照射下沒(méi)有光催化分解水活性。硫化物的能隙較窄，可以吸收可見(jiàn)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(yáng)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(dǎo)體催化劑表面上負(fù)載金屬Pt和Pd，可以有效的降低光腐蝕，金屬-半導(dǎo)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(dǎo)體上的電子-空穴再結(jié)合，有利于光催化分解水反應(yīng)的進(jìn)行，且通常摻雜離子的濃度不高。因此用負(fù)載金屬的CdS半導(dǎo)體光催化劑光分解水制氫產(chǎn)量高。 在CdS半導(dǎo)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(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。將光催化制氫和氫氧燃料電池這兩者完美的結(jié)合成原型機(jī)，對(duì)解決目前能源短缺問(wèn)題具有重大的意義。 氫氧燃料電池早有報(bào)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(lái)看,該法用礦物燃料換取氫燃料，并非長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。(2)微生物制氫，但是在國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)較為薄弱，而且培養(yǎng)細(xì)菌試驗(yàn)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(lái)，消耗的電能高于所獲得的能量，反而得不償失。 進(jìn)入21 世紀(jì) ,人類面臨著能源和環(huán)境兩個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題。一方面 ,據(jù)專家預(yù)測(cè)以目前的能源消耗速度 ,即使是地球儲(chǔ)量較豐富的煤炭資源在未來(lái) 200 年內(nèi)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(lái)了 “溫室效應(yīng)”、酸雨等諸多環(huán)境污染問(wèn)題。因此 ,為了實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展 ,開(kāi)發(fā)清潔的可再生能源已迫在眉睫。在各種潛在待開(kāi)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(lái)獲得,這必然會(huì)加劇不可再生能源的消耗并且?guī)?lái)環(huán)境污染問(wèn)題。 太陽(yáng)能是一種取之不盡，用之不竭的能源。地球上豐富的氫能蘊(yùn)涵于水中?；诎雽?dǎo)體光催化劑和太陽(yáng)能的光催化分解水制氫的方法是最經(jīng)濟(jì)、清潔和實(shí)用的方法，代表著國(guó)際制氫技術(shù)的前沿。太陽(yáng)光光譜中紫外光占5%，可見(jiàn)光占43%，在可見(jiàn)光條件下高效、穩(wěn)定的光分解水產(chǎn)氫是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光催化分解水制氫技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。研制具有高可見(jiàn)光活性和光穩(wěn)定性的半導(dǎo)體光催化劑是研究的核心與難點(diǎn)。 氫氣作為能源的應(yīng)用有多種方式。但氫能通過(guò)燃料電池技術(shù)可高效轉(zhuǎn)化為電能，比利用熱機(jī)轉(zhuǎn)化效率更高，可方便地作為各種動(dòng)力源使用，這是未來(lái)氫能利用的最佳方式。目前在國(guó)際上光催化制氫和氫氧燃料電池兩方面都在研究，都還沒(méi)有將兩者結(jié)合起來(lái)的原型機(jī)的報(bào)道。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的是集成創(chuàng)制一個(gè)以太陽(yáng)能為能源以水作為“燃料”的新概念動(dòng)力裝置，為解決能源及環(huán)境污染問(wèn)題提供新視野。 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的基本思路是通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)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(lái)構(gòu)建一個(gè)新型能源動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能—電能—機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換。 作品的創(chuàng)新點(diǎn)在于新能源動(dòng)力原型裝置的集成構(gòu)思。篩選一種能在可見(jiàn)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(gè)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(gè)由水光分解裝置、氫氧燃料電池裝置和驅(qū)動(dòng)負(fù)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(yáng)能動(dòng)力裝置原型。 作品的技術(shù)關(guān)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(dān)載的CdS催化劑，其催化水分解產(chǎn)氫速率可滿足電扇負(fù)荷裝置輸出額定功率需要；（2）工藝集成及裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和組配。 作品的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）構(gòu)建出了一個(gè)完整的水分解/燃料電池/負(fù)荷演示裝置，用太陽(yáng)光或人工可見(jiàn)光光源和水驅(qū)動(dòng)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）機(jī)械輸出功率達(dá)到0.012w/s；（3）光能—機(jī)械能總轉(zhuǎn)換效率>5%。
科學(xué)性、先進(jìn)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(lái)源：(1)礦物燃料制氫，該法用礦物燃料換取氫燃料，并非長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。(2)微生物制氫，國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)較薄弱，培養(yǎng)細(xì)菌試驗(yàn)條件要求高。(3)電解水制氫，用電分解的方法把氫提取出來(lái)，消耗的電能高于獲得的能量。 太陽(yáng)能的光催化分解水制氫是最經(jīng)濟(jì)、清潔和實(shí)用的方法，代表著國(guó)際制氫技術(shù)的前沿。目前在國(guó)際上還沒(méi)有光催化制氫和氫氧燃料電池兩方面結(jié)合起來(lái)的原型機(jī)報(bào)道。本作品將太陽(yáng)光催化制氫與燃料電池技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)、構(gòu)思和集成出以水作原料以太陽(yáng)光為驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，展現(xiàn)光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能轉(zhuǎn)化的優(yōu)越性。本作品與太陽(yáng)能敏化電池等技術(shù)相比，在應(yīng)用的規(guī)模化效應(yīng)和產(chǎn)品的穩(wěn)定性具有更為突出的優(yōu)勢(shì)。構(gòu)建的原型裝置可以展現(xiàn)出光催化技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)等民用領(lǐng)域。作為新能源概念系統(tǒng)，顯示出未來(lái)光催化技術(shù)和催化技術(shù)解決能源和環(huán)境問(wèn)題發(fā)展前景。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年四月獲?！疤魬?zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng) 2011年六月獲省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽三等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無(wú)
作品可展示的形式
- 圖片 ，錄像 ，小型模型的現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作品使用說(shuō)明：在無(wú)氧條件和太陽(yáng)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(guò)燃料電池，使氫氣轉(zhuǎn)變成電能和水，從而實(shí)現(xiàn)水—?dú)錃狻难h(huán)利用和太陽(yáng)能—電能的轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生的電能可儲(chǔ)存，也可直接用于驅(qū)動(dòng)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。該工藝過(guò)程不僅可開(kāi)發(fā)出新能源，而且節(jié)能、環(huán)保、零排放。 作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：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(nèi)就產(chǎn)生了持續(xù)電流。燃料電池是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿臒o(wú)污染的動(dòng)力裝置，進(jìn)而電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，提供動(dòng)力。 作品的應(yīng)用前景及市場(chǎng)分析：燃料電池與電動(dòng)機(jī)結(jié)合而形成的新概念動(dòng)力機(jī)可能主宰未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展，且在電子裝置方面的應(yīng)用也有較大的研發(fā)價(jià)值。氫能可應(yīng)用于航天、發(fā)電站、電動(dòng)汽車(chē)等。隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用會(huì)不斷普及。光分解水制氫將是未來(lái)氫工業(yè)的核心技術(shù)，具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 1972年，日本學(xué)者Fujishima和Honda，對(duì)光照TiO2電極導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氫的發(fā)現(xiàn)，揭示了太陽(yáng)能制氫的可能性。目前，利用太陽(yáng)能光解制氫的研究主要集中于：（1）光電化學(xué)法，即通過(guò)光陽(yáng)極吸收太陽(yáng)能并將光能轉(zhuǎn)化為電能。光陽(yáng)極通常為光半導(dǎo)體材料，受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，陽(yáng)極和陰極組成光化學(xué)電池，在電解質(zhì)存在下光陽(yáng)極吸光后在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路流向陰極，水中的質(zhì)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(dǎo)體光催化法。將TiO2或CdS等半導(dǎo)體光催化劑微粒直接懸浮在水中進(jìn)行光解水反應(yīng)。半導(dǎo)體光催化在原理上類似于光電化學(xué)池，細(xì)小的半導(dǎo)體微粒可以被看作是一個(gè)個(gè)微電極，只不過(guò)陰極和陽(yáng)極沒(méi)有被隔開(kāi)，當(dāng)光照射到水中的催化劑時(shí)，便激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，將水分解為氫和氧。 近十年來(lái)，雖然光催化研究取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但目前仍然存在光催化反應(yīng)機(jī)理的研究不夠深入；不能有效利用可見(jiàn)光等問(wèn)題。目前的大多數(shù)光催化劑都面臨同樣的問(wèn)題:(1)能隙太寬,只能響應(yīng)不足太陽(yáng)能輻射5%的紫外光區(qū),相對(duì)太陽(yáng)能中47%的可見(jiàn)光利用率很低;（2)價(jià)帶和導(dǎo)帶的電位很難同時(shí)滿足完全分解水的電位,需要犧牲劑才能實(shí)現(xiàn)H2的產(chǎn)生;(3)光生電子空穴易復(fù)合,量子效率很低。 通過(guò)摻雜的方法，可以拓展光催化劑對(duì)光的響應(yīng)，但催化效果并不理想。為了進(jìn)一步提高光解水催化劑的光催化活性，均需要在其表面負(fù)載Pt、Ru等，并且需要在反應(yīng)體系中添加Na2S、Na2SO3或CH3OH作為犧牲劑。目前已經(jīng)研究并開(kāi)發(fā)了一系列能響應(yīng)紫外光的催化劑，如：TiO2、ZnS、ZrO2、Sr2Nb2O7、SrTa2O6等。但在太陽(yáng)光譜中，紫外光只占光總能量的4%，而波長(zhǎng)λ＞420 nm 的可見(jiàn)光占43％，因此擴(kuò)大光催化劑的吸收波長(zhǎng)范圍，使之響應(yīng)可見(jiàn)光，是提高產(chǎn)氫速率的根本途徑，同時(shí)也是近幾年研究的熱點(diǎn)。近一二十年來(lái),光催化材料的研究經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單氧化物、復(fù)合氧化物、層狀化合物到能響應(yīng)可見(jiàn)光的光催化材料。對(duì)二元半導(dǎo)體復(fù)合進(jìn)行了許多研究，如TiO2/CdS等。 近年來(lái)，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視氫能開(kāi)發(fā)和利用。我國(guó)政府重視發(fā)展氫能。目前，在氫能及燃料電池領(lǐng)域，已經(jīng)形成了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范演示的全方位格局。
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