一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用制造技术

一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，所述应用是以表面负载P型半导体光催化剂粉末的阳离子交换膜与表面负载N型半导体光催化剂粉末的阴离子交换膜为双极膜，并构成阴极室和阳极室隔膜，将P型半导体光催化剂粉末材料作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末材料作为阳极，后分别配制0.5~1.0 M的阴极电解液和阳极电解液，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0 V作用下，连续进行光电催化水分解制氢。本发明专利技术将粉末态的催化剂附着于双极膜两侧面，用于光电催化水分解制氢，产氢效率高达90~99.8%，氢气纯度高达90%~99.99%，连续运行10~48小时，槽电压、产氢效率基本保持不变，实现了半导体粉末态光催化剂分解水制氢的高效、连续化操作。

Application of a bipolar membrane surface powder photocatalyst in water decomposition

Application of a bipolar membrane surface powder photocatalyst in water decomposition, the application is based on cationic surface load P type semiconductor photocatalyst powder exchange membrane and surface load N type semiconductor photocatalyst powder of the anion exchange membrane for bipolar membrane, and a cathode chamber and the anode chamber diaphragm, P type semiconductor light the catalyst powder material as cathode, the N type semiconductor photocatalyst powders as anode, electrolyte and cathode anode electrolyte were prepared after 0.5~1.0 M, using xenon lamp as the light source, the applied voltage is 0.5~2.0 V under continuous photoelectrocatalytic hydrogen. The catalyst powder attached to the two side of the bipolar membrane, used for photocatalytic hydrogen, hydrogen production efficiency is as high as 90~99.8%, the hydrogen purity of 90%~99.99%, 10~48 hours of continuous operation, the cell voltage, the hydrogen production efficiency remained basically unchanged, to achieve efficient operation, continuous semiconductor powder photocatalyst decomposition of water to hydrogen the.

【技术实现步骤摘要】
一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用
本专利技术涉及一种粉末态催化剂在水分解中的应用，具体地说，是一种负载粉末态催化剂的双极膜在水分解制氢中应用的技术方案。
技术介绍
半导体光电催化技术是一种将太阳能转化为化学能的有效技术手段，对解决能源紧缺、减小环境污染压力具有重大意义。经过各国科学家多年的探索和积累，该领域的研究取得了较大进展，但总体来说，利用太阳能光电催化效率仍然比较低。其中一个主要原因是由于光生电子-空穴未能有效分离，重新复合，导致光电催化活性下降。国内外学者们采用各种方法分离光生电子-空穴，如：Fan等将TiO2与BiOCl催化剂进行复合，使BiOCl导带的电子转移至TiO2导带上，TiO2价带的空穴转移至BiOCl价带上，从而有效地将电子-空穴分离(CrystEngComm,2014,16:820-825)；Zhang等制备了BiOCl核-壳结构光催化剂，此结构能有效分离光生电子-空穴，从而提高了光催化活性（CrystEngComm,2012,14:700-707）。可见，提高光生电子-空穴分离效率仍然是光电催化过程中迫切需要解决的关键问题。在光电催化实际应用过程中，半导体粉末态催化剂存在易团聚和反应后难回收的问题。因此，光催化剂的固定化对光催化技术的实用化非常重要。例如，Noorjahan等利用喷溅技术制得了TiO2-HZSM-5复合薄膜，这种薄膜对废水中有毒酚类和有机酸的降解有很高的活性（Appl.Catal.,B:Environmental,2004,47:209-213）；García等以玻璃微球为载体，采用浸渍提拉法制备了负载型TiO2光催化剂用于降解模拟污染物和城市污水处理厂的污水(Appl.Catal.,B:Environmental,2011,103:294-301)，取得了良好效果。可见，为了能够真正实现光催化技术的实用化，光催化剂的固定化显得极为重要，有待于进一步研究。传统的光电催化水分解制氢的方法是将N型半导体光阳极与P型半导体光阴极串联，中间采用透光的气体分离膜将阴、阳极室进行分割。但随着反应的持续进行，阳极室由于析氧反应会逐渐变酸，阴极室由于析氢反应会逐渐变碱，而大部分阳极材料更喜欢中性或者偏碱性环境，大部分阴极材料更喜欢偏酸性环境，因此大大限制了水分解反应的连续进行。本专利技术提出将P型半导体光催化剂粉末和N型半导体光催化剂粉末分别固定于双极膜两侧的表面，并将其作为阴、阳极室的隔膜，进行光电催化水分解制氢，是基于以下考虑：①在光电作用下，双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，H+离子透过阳离子交换膜进入阴极室，并在阴极处发生析氢反应被消耗，OH-离子透过阴离子交换膜进入阳极室，并在阳极处发生析氧反应被消耗。因此，理论上能够保持阴极室和阳极室pH的稳定，这有利于半导体光催化剂粉末的稳定工作，使反应能够持续进行。②利用表面固定有半导体光催化剂粉末的双极膜作为阴、阳极室的隔膜，可以将阳极析氧反应与阴极析氢反应有效地分割于两个极室，避免已生成的氢、氧交叉，再次结合生成水分子，不但提高了水分解效率，而且制得纯度较高的氢气。③从热力学角度考虑，双极膜水解离生成的H+比水分子更容易发生还原，而OH-比水分子更容易发生氧化反应，进一步提高了水分解效率。
技术实现思路
本专利技术的问题在于现有技术中半导体光催化剂粉末易团聚和反应后难回收的问题，半导体光催化剂光生电子-空穴分离效率低的问题，半导体光催化剂不能稳定、高效、持续工作的问题，并提供一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用。为了解决上述问题，本专利技术所提供的一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，所述应用是以表面负载P型半导体光催化剂粉末的阳离子交换膜与表面负载N型半导体光催化剂粉末的阴离子交换膜为双极膜，并构成阴极室和阳极室隔膜，将P型半导体光催化剂粉末材料作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末材料作为阳极，后分别配制0.5~1.0M的阴极电解液和阳极电解液，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0V作用下，连续进行光电催化水分解制氢。上述方案的附加技术特征如下。所述P型半导体光催化剂粉末是Ag2O、NiO、Cu2O、CoO和SnO中的一种或其组合。所述N型半导体光催化剂粉末是ZnO、TiO2、Fe2O3、CdS和SnO2中的一种或其组合。所述阴极电解液是H2SO4和HClO4溶液中的一种，阳极电解液是KOH和NaOH溶液中的一种。所述双极膜是由阳离子交换膜、阴离子交换膜复合而成。实现本专利技术上述所提供的一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，与现有技术相比，本专利技术所采用的表面负载粉末态光催化的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，该隔膜在太阳光和电场作用下进行光电催化水分解氢气，有效地解决了半导体光催化剂粉末易团聚和反应后难回收的问题；同时，利用阳离子交换膜中的固定阴离子基团与阴离子交换膜中固定的阳离子基团分别对空穴和电子的吸引作用，将空穴-电子有效分离，解决了半导体光电催化过程中光生电子-空穴分离效率低的问题；更重要的是，双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，维持了阴、阳极室pH的稳定，有利于半导体光催化剂粉末稳定、高效、持续工作。此专利技术进行光电催化水分解制氢，产氢效率高达90~99.8%，氢气纯度高达90~99.99%，连续运行10~48小时，槽电压、产氢效率基本保持不变，实现了半导体粉末态光催化剂分解水制氢的高效、连续化操作。综上所述，其优点与积极效果集中体现如下。本专利技术解决了半导体光催化剂粉末易团聚和反应后难回收的问题。本专利技术利用阳离子交换膜中的固定阴离子基团与阴离子交换膜中固定的阳离子基团分别对空穴和电子的吸引作用，将空穴-电子有效分离，解决了半导体光电催化过程中光生电子-空穴分离效率低的问题。本专利技术利用双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，维持了阴、阳极室pH的稳定，解决了半导体光催化剂不能稳定、高效、持续工作的问题。本专利技术将半导体光催化技术与双极膜水解离技术结合，协同催化水分解制氢，产氢效率高达90~99.8%，氢气纯度高达90%~99.99%，连续运行10~48小时，槽电压、产氢效率基本保持不变，实现了半导体粉末态光催化剂分解水制氢的高效、连续化操作。附图说明图1是本专利技术双极膜两侧表面负载粉末态光催化剂的示意图。图中：1-阴离子交换膜；2-阳离子交换膜；3-P型半导体光催化剂粉末；4-N型半导体光催化剂粉末；阳离子交换膜和阴离子交换膜复合得到双极膜。图2是本专利技术制备阳离子交换膜的羧甲基纤维素钠交联示意图。图3是本专利技术制备阴离子交换膜的壳聚糖与戊二醛交联示意图。图4是本专利技术中双极膜的截面形貌图，左下角插图展现了双极膜具有良好的透光性能，有利于较好地吸收太阳光；右上角插图为双极膜在蒸馏水中浸泡48小时后的图片，表明双极膜不溶于水，有利于其在水溶液中稳定地工作。图5是本专利技术利用表面负载半导体催化剂粉末的双极膜进行光电催化实验的装置示意图。图6是本专利技术实施例1中，制备的两侧分别负载粉末态光催化剂双极膜与未负载催化剂粉末双极膜的接触角。图中，(a)-未负载催化剂粉末的阳离子交换膜表面接触角；(b)-未负载催化剂粉末双极膜的阴离子交换膜表面接触角；(c)-表面负载Cu2O粉末本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，所述应用是以表面负载P型半导体光催化剂粉末的阳离子交换膜与表面负载N型半导体光催化剂粉末的阴离子交换膜为双极膜，并构成阴极室和阳极室隔膜，将P型半导体光催化剂粉末作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末作为阳极，后分别配制0.5~1.0 M的阴极电解液和阳极电解液，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0 V作用下，连续进行光电催化水分解制氢。

【技术特征摘要】
1.一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，所述应用是以表面负载P型半导体光催化剂粉末的阳离子交换膜与表面负载N型半导体光催化剂粉末的阴离子交换膜为双极膜，并构成阴极室和阳极室隔膜，将P型半导体光催化剂粉末作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末作为阳极，后分别配制0.5~1.0M的阴极电解液和阳极电解液，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0V作用下，连续进行光电催化水分解制氢。2.如权利要求1所述的双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，所述P型半导体光催化剂粉末是Ag...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宪，韩艳娇，宋秀丽，杨慧敏，代红艳，梁镇海，
申请(专利权)人：太原师范学院，
类型：发明
国别省市：山西,14