制备氢气的光催化装置制造方法及图纸

分解水相制备氢气的光催化装置，所示装置的设置方式是这样的，至少一种与所述水相相接触的光催化系统可被光源照射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置产生氧气、电子和质子，所述装置包括：包括所述水相的第一区，和用以减少所述质子的装置，该装置通过所述电子对所述质子进行所述还原反应以制备氢气，所述装置的特征在于，所述减少质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。

Photocatalytic device for hydrogen production

A photocatalytic device for preparing hydrogen by decomposing aqueous phase is provided in such a way that at least one photocatalytic system in contact with the aqueous phase can be illuminated by a light source. Oxygen, electrons and protons are generated in an electronic capture device by the oxidation reaction of the aqueous phase. The device includes: The first zone, and a device for reducing the protons, is used to prepare hydrogen by the reduction reaction of the protons with the electrons. The device is characterized by a proton exchange interface with front and rear faces to the proton capture device, only described above. At least one catalyst and / or at least one catalytic system are held behind the proton exchange interface.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备氢气的光催化装置
本专利技术涉及分解水相制备氢气的光催化装置，所示装置的设置方式是这样的，与所述水相接触的至少一种光催化系统可被光源辐射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置处制备氧气、电子和质子，所述装置包括：包括所述水相的第一区，和用以减少所述质子的装置，通过所述电子对所述质子进行所述还原反应以制备氢气。
技术介绍
在本专利技术中，术语“光催化系统”指包括至少一种光酶(photo-enzyme)和/或其辅酶及任何可在水相进行氧化反应的光催化剂。本专利技术中，术语“水相”指仅含有水的相或任何含有水和至少一种添加剂的任意相，该添加剂比如电解质(缓冲剂)、电子传输媒介或电子受体。专利技术这种装置的第一目的是使用光能(如太阳光)提供绿色、可再生的能源，尝试至少分配部分其它能量输入使得光催化装置工作。
技术介绍
已知一种这样的光催化装置，其采用光能和水获得气体形式(H2气体)的氢。更特别地，这种装置允许通过进行(1)光催化氧化反应(如光酶反应)和(2)还原反应来制备氢气，光催化氧化反应发生在水相，其释放氧气(O2气体)、电子(e-)和质子(H+)，在还原反应中，所述质子(H+)通过所述电子(e-)而减少，这种反应制备气态形式(H2气体)的氢。在这种光催化电池或装置中，更特别地在光酶电池或装置中，水相的氧化通常在包括电化学界面(如由碳制成)和光催化系统(特别是光酶)的光阳极进行，当被照射，该光酶被激发并分解水分子。通常，这种光催化系统(如光酶)构成阳极的涂层。为了这个目的，在光酶电池(光催化电池的特别形式)，光合体系II(PSII)可被作为光酶。PSII为自然产生的蛋白质复合体，其在植物细胞的叶绿体中用于光合作用催化水的水解(光解或氧化)。光合作用的过程中，在分解水的光酶装置中，按照以下方程式分解水：其中，hν代表光，H2O是水，H+代表质子，e-代表电子，光酶以PSII酶复合体为例。在第一反应中，如PSII酶复合体的光酶在光的影响下，可分解水，产生氧气(O2气体)、自由质子(H+)和电子(e-)。水溶液中的电子最终被将其传输至阳极的电子受体(如2,5-二氯-1,4-苯醌或二氯代苯醌(DCBQ))接纳。当阳极电性连接至由电化学表面(如由铂制成，和/或包括氢化酶类似酶)制成的阴极时，电子被传输至阴极。同时，质子也通过水相扩散至阴极(即，减少质子的装置)。在阴极，由光酶催化水分解产生的电子和质子最终结合，发生质子被减少的反应，以制备氢气，反应根据如下第二反应进行：2H++2e-→H2气体因此最终获得氢气(H2气体)，氢气可从光酶(光催化)装置中提取出来，用以(诸如)储存。
技术介绍
已知的这种光酶装置，尤其是光催化形式的装置，通常由两个电极构成，如浸没在相同水相溶液中，彼此相连的由铂或碳制成的栅格形式，如，通过稳压器彼此相连。采用现有已知的分解水的光酶装置，这种稳压器(或其它合适的装置)必须经常提供额外的大量势能(被称为过电势或偏压)，其加至阳极的电子的初始势能。在实践中，似乎采用
技术介绍
已知的现有光酶装置(例如电极为碳栅格的形式)，这种额外的势能(如以电势的形式)对制备氢气必不可少。更特别地，这种额外的势能对将阳极制备电子转移至阴极(减少质子的装置)必不可少，从而使得通过电子e-减少质子H+，以在阴极制备氢气。结果是，来自水的电子在到达阳极而后阴极之前，会遇到传输级联(transmissioncascade)和各种界面，每一个传输和每一个界面都会消耗部分电子能量。结果，采用现有装置，必须提供大量额外的势能(伏级)来给电子足够的能量以克服所有这些传输，并通过所有这些界面。因此，必须提供大量额外的势能，如使用稳压器，从而电子有足够的能量到达阴极，能减少质子产生氢气。然而，这与这种光酶(光催化)装置的初始目标相反，其初始目标为用发光的能源来产生氢气，而不需要任何其它能源，或者只在有限的范围内使用这种能源。在实践中，由于被装置消耗的能量和装置的能量产量(energeticyield)需要全部测量，似乎，对于现有光酶装置，这种净能量和能量产量总是解释为，来自光源的光能和消耗的电能的总和，如通过稳压器消耗的。还注意到，
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还包括了使用不同于光酶的光催化酶的光催化装置。从这些，不幸的是，采用光催化装置，尤其是现有的光酶装置，必须提供大量额外的伏级势能(过电势)以能制备氢气，意味着需要大量额外的能量源。于是，由于必须结合两种不同的能源以制备氢气，一种发光的和另一种电的，整体的能量平衡和整体的能量产量并没有得到优化。因此真正需要一种不需要额外能源(如额外的电能源)或至少大大减少装置所需的过电势的制备氢气的光催化装置。
技术实现思路
为了解决这个问题，本专利技术提供了一种如前所述的分解水相制备氢气的光催化装置，所述装置的特征在于，所述减少质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。本专利技术中，术语“催化剂”和“催化系统”代表任何可以催化氧化和/或还原反应的试剂或一套试剂。本专利技术中，语句“仅有所述质子交换界面的所述背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统”意味着仅有质子交换界面的背面掺杂有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。根据本专利技术，质子交换界面(如膜)，也被称为聚合物电解质膜(PEM)，是一种允许质子传导，而不允许类似双分子的氧或氢的气体通过的界面。令人惊奇的是，在本专利技术中，已表明这种装置使得大大减少甚至不需要额外的势能(过电势)成为可能，这种装置的电子捕获装置为带有前面和后面的质子交换界面，前面朝向所述电子捕获装置，后面为仅承载有至少一种催化剂和/或至少一种催化系统的面。在实践中，发现当使用根据本专利技术的装置时，根据本专利技术的装置使得减少三分之一提供给系统的过电势成为可能。更特别地，在本专利技术中，已断定当到达质子交换界面的质子在质子交换界面的前面被接纳，然后穿过质子交换界面到达其背面时，需要应用的势能更少，在背面质子直接减少，只要仅有这种质子交换界面的背面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统即可。优选地，根据本专利技术，所述光催化系统为包括至少一种光酶和/或其辅酶的系统，或包括能在水相支持氧化反应的任意酶的系统。优选地，根据本专利技术，所述至少一种光催化系统为作为从PSI酶复合体和/或其它类囊体蛋白分离出来的PSII酶复合体的至少一种光酶。PSII酶复合体可从光合生物的类囊体膜中提取出来，其可从光合体系I(PSI)复合体和其它酶复合体中提纯和/或分离。可能地，PSII复合体可以是PSII生产过程中产生的合成复合体。优选地，根据本专利技术，与所述水相接触的所述至少一种光催化系统构成了第一电极的涂层，特别是阳极的涂层。然而，本专利技术中，有计划地，光催化系统(如光酶)可与水相或以局限于水相特定部分的形式简单接触。优选地，根据本专利技术，所述电子捕获装置可包括或不包括至少一种催化剂和/或至少一种并非光催化系统的催化系统。优选地，根据本专利技术，所述至少一种催化剂和/或所述至少一种并非光催化系统的催化系统包括氢化酶类似酶和/或铂粒子。已确定，氢化酶类似酶每单位时间(每秒)不仅处理更多的电子，而且一定程度减少了制备氢气的装置所需的势能，此外其比铂便宜。上述氢化酶类似酶可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.分解水相制备氢气的光催化装置，所示装置以如下方式设置，至少一种与所述水相相接触的光催化系统可被光源照射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置产生氧气、电子和质子，所述装置包括：包括所述水相的第一区，和用以减少所述质子的装置，该装置通过所述电子对所述质子进行所述还原反应以制备氢气，所述装置的特征在于，减少所述质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.23 BE 2016/51251.分解水相制备氢气的光催化装置，所示装置以如下方式设置，至少一种与所述水相相接触的光催化系统可被光源照射，通过在所述水相的氧化反应，在电子捕获装置产生氧气、电子和质子，所述装置包括：包括所述水相的第一区，和用以减少所述质子的装置，该装置通过所述电子对所述质子进行所述还原反应以制备氢气，所述装置的特征在于，减少所述质子的装置为带有前面和后面的质子交换界面，所述前面面向所述质子捕获装置，仅有所述质子交换界面的所述后面承载至少一种催化剂和/或至少一种催化系统。2.根据权利要求1所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述光催化系统为包括至少一种光酶和/或所述光酶的辅酶或包括能在水相进行氧化反应的任意光催化剂的系统。3.根据权利要求1或2所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述至少一种光催化系统为至少一种光酶，所述光酶为从PSI酶复合体和/或其它类囊体蛋白分离出来的PSII酶。4.根据权利要求1至3任一所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，与所述水相接触的所述至少一种光催化系统构成了第一电极的涂层，特别是阳极的涂层。5.根据权利要求1至4任一所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述电子捕获装置可包括或不包括至少一种催化剂和/或至少一种并非光催化系统的催化系统。6.根据权利要求5所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述至少一种催化剂和/或所述至少一种并非光催化系统的催化系统包括氢化酶类似酶和/或铂粒子。7.根据权利要求1至6任一所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述电子捕获装置为质子交换界面或碳栅格。8.根据权利要求1至7任一所述的分解水相制备氢气的光催化装置，其特征在于，所述质子交换界面在所述含有水相的第一区和第二非水相之间构成了隔板。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利浦·劳热，克莱尔·勒马克勒，斯蒂芬妮·杰林，娜塔莉·乔布，法布里斯·弗兰克，朱塞佩·卡尔达蕾拉，巴特·格希尔斯，达明·戈道克斯，皮埃尔·卡尔多，
申请(专利权)人：H二WIN股份公司，
类型：发明
国别省市：比利时,BE