一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统，包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；变压器，用于将所述摩擦纳米发电机发出的高压电转换为低压电；整流器，用于将经过所述变压器变压后的交流电转变为直流电；光电解水装置，其与所述整流器连接，用于在光照以及所述直流电的作用下产生氢气。本申请通过采用较为简单的结构获得了意想不到的技术效果，利用该系统产氢的效率极高。此外，本发明专利技术采用钛修饰氧化铁弥补了氧化铁导电性差的缺陷，极大地提高了由光能转化为化学能的效率。本发明专利技术中制备钛修饰氧化铁的方法过程简单且容易操作。所选半导体光催化材料氧化铁光吸收率高、稳定性好且成本低廉。

A self actuated photoelectric water splitting system based on friction nano generator

The invention provides a self-driving photoelectrolytic water system based on a friction nano-generator, comprising a friction nano-generator for converting external mechanical energy into electrical energy, a transformer for converting the high-voltage electricity generated by the friction nano-generator into low-voltage electricity, and a rectifier for converting the voltage generated by the transformer. The alternating current is converted into direct current; a photoelectrolytic water device is connected to the rectifier for generating hydrogen under the action of light and the direct current. The application achieves unexpected technical results by adopting a simpler structure, and the efficiency of hydrogen production by this system is extremely high. In addition, the invention uses titanium modified iron oxide to compensate for the defect of poor conductivity of iron oxide, and greatly improves the efficiency of transforming light energy into chemical energy. The method for preparing titanium modified iron oxide is simple and easy to operate. The selected semiconductor photocatalytic material has high absorbance, good stability and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统
本专利技术涉及光电解水
，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统。
技术介绍
在众多清洁能源中，氢能作为一种热值高、燃烧产物无污染的能源备受青睐，成为替代传统化石能源的理想能源之一。然而，传统制氢方式成本高昂，污染环境，催促科研工作者寻求新型环保的制氢方法。自从Fujishima和Honda教授在二氧化钛电极上实现光电分解水制氢以来，基于各种光催化半导体材料光电化学池的研究喷薄而出。又因为太阳能是一种清洁无污染、取之不尽的能源，且水资源在地球上分布广泛、储量丰富，使得通过太阳能制氢成为获取氢能的最佳方式之一。目前，用于光电解水的光催化半导体材料例如α型氧化铁，虽然具有禁带宽度窄，可以吸收大部分太阳光的有点，但是也具有诸多缺点，限制了其在实际生活中的应用。其中，主要的缺陷之一是不可以直接光解水产生氢气，通常需要施加外加电场来达到全解水的目的，但这也意味着需要消耗更多的能量。
技术实现思路
本申请的专利技术人发现，可以利用摩擦纳米发电机能将外界机械能转化为电能的优点，来解决光电解水中光催化半导体材料需要额外施加外加电场才能达到全解水的目的的问题。由于摩擦纳米发电机发出的电是交流电，并且发电的特点是高电压低电流，而光催化半导体材料所需电压远低于摩擦纳米发电机发电的电压，所需电流高于摩擦纳米发电机发电的电流，因此，仍然需要解决如何将摩擦纳米发电机发出的电直接或间接地应用在光电解水中，并且可以达到非常好的效果。本专利技术的一个目的是要解决如何在不加外电场的情况下使光催化半导体材料通过光电解水产生氢气。本专利技术的另一个目的是要解决如何将摩擦纳米发电机发出的电直接或间接地应用在光电解水中，并且可以达到非常好的效果。本专利技术的一个进一步的目的是要解决氧化铁导电性差的技术问题。本专利技术提供了一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统，包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；变压器，用于将所述摩擦纳米发电机发出的高压电转换为低压电；整流器，用于将经过所述变压器变压后的交流电转变为直流电；光电解水装置，与所述整流器连接，用于在光照以及所述直流电的作用下产生氢气。可选地，所述光电解水装置包括光阳极或光阴极，所述光阳极或所述光阴极的材料为光催化半导体材料。可选地，所述光阳极的材料为氧化铁以及表面修饰的氧化铁。可选地，所述摩擦纳米发电机包括：转盘，所述转盘为印刷电路板，其表面被放射状阵列扇区状的第一阵列沟道分隔出放射状阵列扇区状的第一阵列扇区；定盘，所述定盘为印刷电路板，其被放射状阵列扇区状的第二阵列沟道分隔出放射状阵列扇区状的第二阵列扇区和第三阵列扇区，所述第二阵列扇区与所述第三阵列扇区相互不导通，所述第二阵列扇区中的各扇区之间相互导通，所述第三阵列扇区中的各扇区之间相互导通；以及贴附在所述定盘上的摩擦层，所述摩擦层的材料为导电性差的材料。可选地，所述第一阵列沟道与所述第一阵列扇区的面积总和与所述转盘的表面的面积相等；所述第二阵列扇区和所述第三阵列扇区的面积总和与所述定盘的面积基本上相等。可选地，所述第一阵列扇区中各相邻扇区之间的间隔角为1-5°，划分为36-180份；所述第二阵列扇区中各相邻扇区之间的间隔角为1-5°，划分为36-180份；所述第三阵列扇区中各相邻扇区之间的间隔角为1-5°，划分为36-180份。可选地，所述光电解水装置与所述整流器直接连接。可选地，所述自驱动光电解水系统还包括：储能装置，其与所述整流器和所述光电解水装置均相连，用于将所述摩擦纳米发电机发出的电能进行存储，并向所述光电解水装置供电。可选地，所述储能装置包括锂电池、钠电池、铅酸电池或电容器。本申请的专利技术人首次提出利用摩擦纳米发电机为光电解水装置提供电能的思想，打破了常规的利用外加电场的来光电解水制氢气的方式，并且通过采用较为简单的结构获得了意想不到的技术效果，利用该系统产氢的效率极高。此外，本专利技术采用钛修饰氧化铁弥补了氧化铁导电性差的缺陷，极大地提高了由光能转化为化学能的效率。此外，本专利技术中制备钛修饰氧化铁的方法过程简单且容易操作。所选半导体光催化材料氧化铁光吸收率高、稳定性好且成本低廉。本专利技术采用旋转轮盘状的摩擦纳米发电机，其可以收集生活中多种形式以及频率的机械能，如水流等，并且产生的电压以及电流经过变压后可以为光电解水装置提供足够的电能。本专利技术提出的自驱动电解水系统电极材料的制备过程要求不高且成本低，在光照条件下，可以将机械能和太阳能同时收集起来并分解水产生氢气。以氢能代替传统化石能源，可以有效降低化石能源过度使用带来的环境污染和温室效应。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本专利技术一个实施例的基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统的示意性结构图；图2是根据本专利技术一个实施例的基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统的等效电路图；图3是根据本专利技术多个实施例的钛修饰氧化铁的制备方法的示意性流程图；图4是根据本专利技术一个实施例的钛修饰氧化铁的制备方法的示意性流程图；图5是图4所示实施例制备获得的钛修饰氧化铁的扫描电子显微镜图；图6是图4所示实施例制备获得的钛修饰氧化铁的透射电子显微镜图；图7是图4所示实施例制备获得的钛修饰氧化铁在加光及不加光条件下利用电化学工作站测试的电流密度-电压曲线图；图8是根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图；图9是根据本专利技术一个实施例的转盘的示意性俯视图；图10是根据本专利技术一个实施例的定盘的示意性俯视图；图11是根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流的输出；图12是根据本专利技术一个实施例的经过变压后的摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流的输出；图13是根据本专利技术一个实施例的基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统在不同转速下加光与不加光电流图；图14是根据本专利技术一个实施例的基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统在不同转速下加光与不加光产氢速率图；附图标号：1-摩擦纳米发电机，11-转盘，111-第一沟道，112-第一扇区，12-摩擦层，13-定盘，131-第二沟道，132-第二扇区，133-第三扇区，2-变压器，3-整流桥，4-光电解水装置，41-铂丝电极，42-光阳极，43-电解槽，44-强碱溶液。具体实施方式图1示出了根据本专利技术一个实施例的基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统的示意性结构图。图2示出了根据本专利技术一个实施例的基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统的等效电路图。如图1和图2所示，该自驱动光电解水系统包括摩擦纳米发电机1、变压器2、整流器和光电解水装置4。该摩擦纳米发电机1用于将外部机械能转化为电能。该变压器2用于将摩擦纳米发电机1发出的高压电转换为低压电，并且可以将低电流转化为高电流。该整流器用于将经过变压器2变压后的交流电转变为直流电。该光电解水装置4与整流器连接，用于在光照以及直流电的作用下产生氢气。其中，该变压器2可以选择硅钢片铁芯的变压器2，规格是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统，其特征在于，包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；变压器，用于将所述摩擦纳米发电机发出的高压电转换为低压电；整流器，用于将经过所述变压器变压后的交流电转变为直流电；光电解水装置，与所述整流器连接，用于在光照以及所述直流电的作用下产生氢气。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动光电解水系统，其特征在于，包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；变压器，用于将所述摩擦纳米发电机发出的高压电转换为低压电；整流器，用于将经过所述变压器变压后的交流电转变为直流电；光电解水装置，与所述整流器连接，用于在光照以及所述直流电的作用下产生氢气。2.根据权利要求1所述的自驱动光电解水系统，其特征在于，所述光电解水装置包括光阳极或光阴极，所述光阳极或所述光阴极的材料为光催化半导体材料。3.根据权利要求2所述的自驱动光电解水系统，其特征在于，所述光阳极的材料为氧化铁以及表面修饰的氧化铁。4.根据权利要求1-3中任一项所述的自驱动光电解水系统，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括：转盘，所述转盘为印刷电路板，其表面被放射状阵列扇区状的第一阵列沟道分隔出放射状阵列扇区状的第一阵列扇区；定盘，所述定盘为印刷电路板，其被放射状阵列扇区状的第二阵列沟道分隔出放射状阵列扇区状的第二阵列扇区和第三阵列扇区，所述第二阵列扇区与所述第三阵列扇区相互不导通，所述第二阵列扇区中的各扇区之间相互导通，所述第三阵列扇区中的各扇区...

【专利技术属性】
技术研发人员：文震，钟俊，孙旭辉，魏爱民，谢欣凯，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32