CN112962114A - 一种光催化全解水/燃料电池一体化***及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光催化全解水/燃料电池一体化***及制备方法，先利用木头作为载体，由于其具有蒸腾作用和光热效应，可实现液态水到水蒸气的转变。然后将ZnIn2S4‑WO3旋涂在木头表面，形成光催化体系，实现高效催化水分解制氢制氧，其氢气和氧气的速率可以分别达到2861.02μmol/h/g和1393.75μmol/h/g。接着，反应器两端通过冷凝装置，将产生的氢气和氧气导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。整个一体化***可高效实现太阳能到电能的转化，且制备工艺简单，材料来源经济，有助于进一步推进光催化水分解技术广泛应用。

Description

一种光催化全解水/燃料电池一体化***及制备方法
技术领域
本发明属于光催化水分解领域，涉及一种光催化全解水/燃料电池一体化***及制备方法。
背景技术
目前，光催化全解水制氢制氧技术得到了广泛的发展，在缓解当前的能源危机和环境污染起到了至关重要的作用。光催化全解水得到的氢气和氧气，可以作为新型清洁能源，通过燃料电池等方式，可以实现太阳能到电能的转变。但是目前光催化全解水制氢制氧技术多数集中在催化剂的开发和探索中，对于后续如何将光催化全解水技术和燃料电池技术相结合涉及较少。针对此问题，本工作主要将光催化全解水产生的氢气和氧气通过燃料电池进一步转化为电能。拓展了光催化全解水技术的应用范围。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光催化全解水/燃料电池一体化***及制备方法，利用木头所具有的蒸腾作用和光热效应，将液态水转变为水蒸气。然后木头表面旋涂具有全解水性能的光催化材料。这样水蒸气包覆催化剂材料形成气/固两相界面光催化体系，实现高效催化水分解制氢制氧。接着，通过冷凝装置，将产生的氢气和氧气导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。这样一体化的反应体系，可以高效实现太阳能向电能的转换，提升光催化全解水技术的实用性。
技术方案
一种光催化全解水/燃料电池一体化***，其特征在于包括催化反应***、冷凝装置、燃料电池和管路；所述催化反应***为光催化全解水体系，包括橡木和其表面涂敷的ZnIn2S4-WO3；两个输出端为氢气出口和氧气出口，通过冷凝装置与燃料电池连接，其中：氧气出口与燃料电池的正极连接，氢气出口通过管路与燃料电池的负极连接。
一种所述光催化全解水/燃料电池一体化***的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、木头载体的制备：将橡木放在火焰下，距离火焰3～5cm，对其表面加热2min，然后迅速将橡木整体浸入冷水中，浸没时间1～5min，然后烘干；
步骤2：将催化剂ZnIn2S4-WO3分散在去离子水中，得到浓度为0.4～0.8M的分散液；将分散液旋涂在处理的橡木表面，转速为500～700rpm，时间为10～30s；然后放烘；最后将橡木/ZnIn2S4-WO3放入反应器中得到光催化全解水体系；
步骤3：将装有橡木/ZnIn2S4-WO3的反应器上面两端通过冷凝装置，冷凝掉产生的水蒸气，将产生氧气和氢气分别导入燃料电池的正极和负极中，得到光催化全解水/燃料电池一体化***。
所述步骤1的烘干采用45℃烘干。
所述步骤2的烘干采用55℃烘干。
所述催化剂ZnIn2S4-WO3为ZnIn2S4和WO3以1∶1的摩尔比混合而成。
所述ZnIn2S4的制备：将硝酸锌、硝酸铟和硫代乙酰胺以1∶2∶4的摩尔比溶于30ml的去离子水中；然后转移到聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180～200℃下反应12～24h，得ZnIn2S4。
所述WO3的制备：将钨酸钠和柠檬酸钠以2∶3的摩尔比溶于15～20ml的去离子水中，再加入5～10ml乙醇，搅拌10～30min；然后加入2～6ml浓度为3mol/L的盐酸，将溶液转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180～200℃下反应6～12h，得WO3。
有益效果
本发明提出的一种光催化全解水/燃料电池一体化***及制备方法，先利用木头作为载体，由于其具有蒸腾作用和光热效应，可实现液态水到水蒸气的转变。然后将ZnIn2S4-WO3旋涂在木头表面，形成光催化体系，实现高效催化水分解制氢制氧，其氢气和氧气的速率可以分别达到2861.02μmol/h/g和1393.75μmol/h/g。接着，反应器两端通过冷凝装置，将产生的氢气和氧气导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。整个一体化***可高效实现太阳能到电能的转化，且制备工艺简单，材料来源经济，有助于进一步推进光催化水分解技术广泛应用。
附图说明
图1是光催化全解水反应器实物图
图2是光催化全解水/燃料电池一体化***示意图
1-催化反应***，2-氢气出口，3-氧气出口，4-管路，5-冷凝装置，6-燃料电池
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一：
取橡木放在喷灯火焰下，距离火焰3cm，对其表面加热2min，然后迅速将橡木整体浸入冷水中，浸没时间1min，然后45℃烘干备用。催化剂材料选择用ZnIn2S4-WO3材料。ZnIn2S4的制备如下：将硝酸锌、硝酸铟和硫代乙酰胺以1：2：4的摩尔比溶于30ml的去离子水中。然后转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180℃下反应12h。WO3的制备如下：钨酸钠和柠檬酸钠以2：3的摩尔比溶于15ml的去离子水中。再加入5ml乙醇，搅拌10min。然后加入2ml浓度为3mol/L的盐酸。将溶液转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180℃下反应6h。制备的ZnIn2S4和WO3以1：1的摩尔比混合，就可以得到ZnIn2S4-WO3材料。将上述制备ZnIn2S4-WO3材料分散在去离子水中，得到浓度为0.4M的分散液；将分散液旋涂在处理的橡木表面，转速为500rpm，时间为10s。然后放在烘箱中烘干(烘箱内部温度设置为55℃)。最后将橡木/ZnIn2S4-WO3放入反应器中便可得到光催化全解水体系。将上述得到的装有橡木/ZnIn2S4-WO3的反应器上面两端通过冷凝装置，冷凝掉产生的水蒸气，将产生氢气和氧气分别导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。
实施例二：
取橡木放在喷灯火焰下，距离火焰5cm，对其表面加热2min，然后迅速将橡木整体浸入冷水中，浸没时间5min，然后45℃烘干备用。催化剂材料选择用ZnIn2S4-WO3材料。ZnIn2S4的制备如下：将硝酸锌、硝酸铟和硫代乙酰胺以1：2：4的摩尔比溶于30ml的去离子水中。然后转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度200℃下反应24h。WO3的制备如下：钨酸钠和柠檬酸钠以2：3的摩尔比溶于20ml的去离子水中。再加入10ml乙醇，搅拌30min。然后加入6ml浓度为3mol/L的盐酸。将溶液转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180～200℃下反应12h。制备的ZnIn2S4和WO3以1：1的摩尔比混合，就可以得到ZnIn2S4-WO3材料。将上述制备ZnIn2S4-WO3材料分散在去离子水中，得到浓度为0.8M的分散液；将分散液旋涂在处理的橡木表面，转速为700rpm，时间为30s。然后放在烘箱中烘干(烘箱内部温度设置为55℃)。最后将橡木/ZnIn2S4-WO3放入反应器中便可得到光催化全解水体系。将上述得到的装有橡木/ZnIn2S4-WO3的反应器上面两端通过冷凝装置，冷凝掉产生的水蒸气，将产生氢气和氧气分别导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。
实施例三：
取橡木放在喷灯火焰下，距离火焰4cm，对其表面加热2min，然后迅速将橡木整体浸入冷水中，浸没时间3min，然后45℃烘干备用。催化剂材料选择用ZnIn2S4-WO3材料。ZnIn2S4的制备如下：将硝酸锌、硝酸铟和硫代乙酰胺以1：2：4的摩尔比溶于30ml的去离子水中。然后转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度190℃下反应18h。WO3的制备如下：钨酸钠和柠檬酸钠以2：3的摩尔比溶于18ml的去离子水中。再加入8ml乙醇，搅拌20min。然后加入4ml浓度为3mol/L的盐酸。将溶液转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度190℃下反应9h。制备的ZnIn2S4和WO3以1：1的摩尔比混合，就可以得到ZnIn2S4-WO3材料。将上述制备ZnIn2S4-WO3材料分散在去离子水中，得到浓度为0.6M的分散液；将分散液旋涂在处理的橡木表面，转速为600rpm，时间为20s。然后放在烘箱中烘干(烘箱内部温度设置为55℃)。最后将橡木/ZnIn2S4-WO3放入反应器中便可得到光催化全解水体系。将上述得到的装有橡木/ZnIn2S4-WO3的反应器上面两端通过冷凝装置，冷凝掉产生的水蒸气，将产生氢气和氧气分别导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。
实施例四：
取橡木放在喷灯火焰下，距离火焰3cm，对其表面加热2min，然后迅速将橡木整体浸入冷水中，浸没时间5min，然后45℃烘干备用。催化剂材料选择用ZnIn2S4-WO3材料。ZnIn2S4的制备如下：将硝酸锌、硝酸铟和硫代乙酰胺以1：2：4的摩尔比溶于30ml的去离子水中。然后转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180℃下反应24h。WO3的制备如下：钨酸钠和柠檬酸钠以2：3的摩尔比溶于15ml的去离子水中。再加入10ml乙醇，搅拌10min。然后加入6ml浓度为3mol/L的盐酸。将溶液转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180℃下反应12h。制备的ZnIn2S4和WO3以1：1的摩尔比混合，就可以得到ZnIn2S4-WO3材料。将上述制备ZnIn2S4-WO3材料分散在去离子水中，得到浓度为0.4M的分散液；将分散液旋涂在处理的橡木表面，转速为700rpm，时间为30s。然后放在烘箱中烘干(烘箱内部温度设置为55℃)。最后将橡木/ZnIn2S4-WO3放入反应器中便可得到光催化全解水体系。将上述得到的装有橡木/ZnIn2S4-WO3的反应器上面两端通过冷凝装置，冷凝掉产生的水蒸气，将产生氢气和氧气分别导入燃料电池中，实现光催化全解水/燃料电池一体化***。

Claims (7)

1.一种光催化全解水/燃料电池一体化***，其特征在于包括催化反应***、冷凝装置、燃料电池和管路；所述催化反应***为光催化全解水体系，包括橡木和其表面涂敷的ZnIn2S4-WO3；两个输出端为氢气出口和氧气出口，通过冷凝装置与燃料电池连接，其中：氧气出口与燃料电池的正极连接，氢气出口通过管路与燃料电池的负极连接。
2.一种权利要求1所述光催化全解水/燃料电池一体化***的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、木头载体的制备：将橡木放在火焰下，距离火焰3～5cm，对其表面加热2min，然后迅速将橡木整体浸入冷水中，浸没时间1～5min，然后烘干；
步骤2：将催化剂ZnIn2S4-WO3分散在去离子水中，得到浓度为0.4～0.8M的分散液；将分散液旋涂在处理的橡木表面，转速为500～700rpm，时间为10～30s；然后放烘；最后将橡木/ZnIn2S4-WO3放入反应器中得到光催化全解水体系；
步骤3：将装有橡木/ZnIn2S4-WO3的反应器上面两端通过冷凝装置，冷凝掉产生的水蒸气，将产生氧气和氢气分别导入燃料电池的正极和负极中，得到光催化全解水/燃料电池一体化***。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1的烘干采用45℃烘干。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2的烘干采用55℃烘干。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述催化剂ZnIn2S4-WO3为ZnIn2S4和WO3以1∶1的摩尔比混合而成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述ZnIn2S4的制备：将硝酸锌、硝酸铟和硫代乙酰胺以1∶2∶4的摩尔比溶于30ml的去离子水中；然后转移到聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180～200℃下反应12～24h，得ZnIn2S4。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述WO3的制备：将钨酸钠和柠檬酸钠以2∶3的摩尔比溶于15～20ml的去离子水中，再加入5～10ml乙醇，搅拌10～30min；然后加入2～6ml浓度为3mol/L的盐酸，将溶液转移到50ml的聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在温度180～200℃下反应6～12h，得WO3。
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