激光制氢的方法技术

本发明专利技术要求保护一种激光制氢的方法，包括如下步骤：将金属靶材放入水中，采用高脉冲能量激光透过水将金属靶材表面的氧化膜去除，金属靶材表面裸露出来的纯金属瞬间与水发生反应产生氢气，进一步采用高峰值功率激光，透过水在金属靶材表面扫描烧蚀裸露出来的金属表面，金属靶材表面喷出大量带电金属粒子和自由电子，与水发生反应产生氢气。本发明专利技术的制氢方法大大提高了制氢效率；且提供了在其它水溶液如海水中制氢的解决方案，且极为有效便利，可以按需实时供氢。

The method of hydrogen production by laser

【技术实现步骤摘要】
激光制氢的方法
本专利技术属于新能源技术，涉及制氢
，特别涉及一种激光制氢的方法。
技术介绍
氢能源具备来源广、能量密度高、可储存、可再生、零噪音、零污染的优势，也是唯一可同时用于交通、储能、发电等领域的新能源，氢能源将是未来能源的主角，远期市场规模超万亿。传统的制氢的方式主要包括石化资源制氢(煤气制氢、天然气制氢)、化学工业副产氢(氯碱工业副产氢、烷烃裂解副产氢)、化工原料制氢(甲醇裂解、液氨裂解等)、电解水制氢。石化资源制氢和化工副产制氢成本最低，但是设备规模大，前期投资成本高，对资源依懒性大，适合大规模制氢；化工原料制氢成本较高，较适合站内制氢，对设备和场地要求高，原料和成品的储存与运输的成本也较大。电解水制氢成本最高，电解水制氢对水质要求也很高。其工作温度在70℃-80℃之间，以KOH溶液为电解液，KOH溶液的纯度直接影响电解后产生气体的品质和对设备的腐蚀。当电解液含有碳酸盐和氯化物时，阳极上会发生有害反应，生成的氯气被碱液吸收生成次氯酸盐和氯酸盐，它们又有被阴极还原的可能，导致额外消耗电能增加，降低产氢效率。因此电解水制氢方案完全不适合直接利用海水制氢的场合，为了保证电解液的纯度，电解水制氢装置一般需要额外配套纯水制备。现有技术利用铁进行制氢的相关技术，其中通过太阳热能还原铁及制氢的方法：(1)采用反应：C+2FeO→2Fe+CO2(2)采用球磨机进行Fe粉体的微细粉化。(3)2Fe+2H2O→2H2+2FeO其包括三个步骤：(1)太阳炉保持在800～1000℃进行反应还原Fe；(2)用球磨机进行微细粉化；(3)在80℃的热水中制氢。此种铁制氢的方法能源消耗大，制氢过程复杂，无法实时高效控制制氢的效率与数量。另一种采用激光技术还原铁以及制氢的方法：(1)采用反应：Fe2O3+丙酮→FeorFeO+丙酮过氧化物包括三个步骤：(1)用纳秒激光将Fe2O3还原成FeO或Fe；(2)分离有机溶剂和粉体；(3)在400℃的条件下和H2O反应制氢。可以看出其工艺过程复杂，反应温度很高，消耗大量能源。而且丙酮过氧化物非常的不稳定，被作为炸药的原料使用。终上所述，现有各种制氢方法中，基本上都存在设备成本高，投资大，制造工艺复杂，工况条件要求高；制氢效率与用氢量相距甚远，而氢进行远距离运输的安全要求极高，运输安全已成为当前氢能源技术推广的一大障碍；在一些条件局限或偏远地区，较难进行推广等等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题主要是针对现有技术中，制备氢气存在的工艺过程复杂，反应温度高，消耗能源大的情况，提供一种激光制氢方法，用于解决现有制氢技术设备要求高，工艺流程复杂的缺陷，不能在各种场合，因地制宜进行制氢的问题；消除氢能源发展中的远距离运输的障碍。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的激光制氢的方法技术方案，包括如下步骤：S1.将金属靶材放入水中，S2.采用高脉冲能量激光透过水扫描金属靶材，去除金属靶材表面的氧化膜，使金属靶材表面裸露出纯金属与水发生反应产生氢气，S3.采用高峰值功率激光，透过水扫描烧蚀金属靶材的纯金属表面，纯金属表面喷出大量带电金属粒子和自由电子，与水发生反应，产生氢气，S4.回收和净化氢气。通常情况下，金属表面，如铁表面是不能直接和水反应的，它是需要一个活化的过程，采用高脉冲能量激光一方面能够去除金属表面的氧化膜，另一方面能够活化金属，使得金属能够与水发生反应产生氢气。另外，如果激光只能使金属发生熔融化，也无法进行反应生成氢气，只有高峰值功率激光使分子态金属激发为等离子态和电子，才可以和水发生反应。本专利技术优选的实施方案中，步骤S2和步骤S3同时进行，即将高脉冲能量激光和高峰值功率激光同时透过水扫描金属靶材，金属靶材表面喷出大量带电金属粒子和自由电子，与水反生剧烈发应，产生大量氢气，另外因为金属表面不断地形成氧化膜，所以同时照射高脉冲能量激光，可让纯金属表面不断地裸露出来。本专利技术优选的实施方案中，所述金属靶材选自元素周期表中第三周期或第四周期的任一种金属或几种金属的组合；所述金属靶材优选为可与水在一定条件下发生发应并产生氢气，且金属靶材的表面容易与氧结合生成氧化膜，而阻止和水的持续反应，更优选地，所述金属靶材选自铝、铁、镁、锌或其合金。本专利技术优选的实施方案中，所述高脉冲能量激光的脉冲能量≥1mJ以上，如为1mJ～1000mJ，其波长包括紫外波段，可见光波段，红外波段，进一步优选为：150-1500nm范围内的波长。高脉冲能量激光采用脉冲能量、功率密度达到去除金属靶材表面氧化物的要求。本专利技术优选的实施方案中，所述高峰值功率激光为短脉宽或超短脉宽激光，其脉冲宽度是皮秒、飞秒、渺秒甚至更小量级，优选为1-1000皮秒，1-1000飞秒，1-1000渺秒脉冲宽度。高峰值功率激光用于金属表面的汽化与生成等离子体等大量微粒，主要要求的是峰值功率，如飞秒激光，其脉宽为飞秒量级，因此尽管其脉冲能量只有几十微焦，但其峰值功率非常高。高峰值功率激光的波长为紫外波段，可见光波段，红外波段，进一步优选为：150-1560nm范围内的波长。高峰值功率激光以满足其能量指标在金属表面发生热损伤之前即破坏材料的分子结构，在高能量密度脉冲激光的作用下，金属表面喷出大量金属粒子和自由电子，与水反生剧烈发应，产生大量氢气。在考虑有利于提高去除效率的情况下，适当提高激光器的功率，优选更合适的波长，激光脉宽，激光频率等指标。本专利技术优选的实施方案中，S4步骤产生的氢气，通过氢气分离膜进行回收和净化。更优选地，采用陶瓷膜，陶瓷膜是一种纳米多孔质陶瓷分离膜。本专利技术优选的实施方案中，在反应过程中，通过水循环带走反应所产生的热量以及反应后沉淀的金属氧化物，并进行回收和再利用。本专利技术优选的实施方案中，在考虑有利于提高制氢效率的情况下，可以在水中添加碱性溶液、还原性有机溶剂、光敏催化剂或其组合。优选地，在水中添加进一步提高制氢效率和/或制氢质量的碱性溶液，如：氢氧化纳、氢氧化钾、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铁等能有效促进制氢反应的溶液，其溶液成份，配比等指标以有效提高本专利技术所描述方法的制氢效率和/或制氢质量等前提。优选地，在水中添加进一步提高制氢效率和/或制氢质量的还原性有机溶剂，如：甲醇、乙醇、丙酮等物质，其溶液成份，配比等指标以有效提高本专利技术所描述方法的制氢效率和/或制氢质量等前提；优选甲醇。优选地，在水中添加进一步提高制氢效率和/或制氢质量的光敏催化剂，可以是具备光催化特性的金属氧化物或金属氮化物等物质，如：钛、钽、铌和铽的氧化物或氮化物，以及铂族合金等物质。本专利技术优选的实施方案中，可选用各种来源的水，如纯净水，矿泉水或其它天然来源的水，或者海水等。本专利技术提供的激光制氢的方法技术方案，包括如下步骤：S1.金属靶材放入水中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光制氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.金属靶材放入水中，/nS2.采用高脉冲能量激光透过水扫描金属靶材，去除金属靶材表面的氧化膜，使金属靶材表面裸露出纯金属与水发生反应产生氢气，/nS3.采用高峰值功率激光，透过水扫描烧蚀金属靶材的纯金属表面，纯金属表面喷出大量带电金属粒子和自由电子，与水发生反应，产生氢气，/nS4.回收和净化氢气。/n

【技术特征摘要】
1.激光制氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.金属靶材放入水中，
S2.采用高脉冲能量激光透过水扫描金属靶材，去除金属靶材表面的氧化膜，使金属靶材表面裸露出纯金属与水发生反应产生氢气，
S3.采用高峰值功率激光，透过水扫描烧蚀金属靶材的纯金属表面，纯金属表面喷出大量带电金属粒子和自由电子，与水发生反应，产生氢气，
S4.回收和净化氢气。


2.根据权利要求1所述的激光制氢的方法，其特征在于，步骤S2和步骤S3同时进行，即将高脉冲能量激光和高峰值功率激光同时透过水扫描金属靶材。


3.根据权利要求1所述的激光制氢的方法，其特征在于，所述金属靶材选自元素周期表中第三周期或第四周期的中任一种金属或几种金属的组合；所述金属靶材可与水在一定条件下发生发应并产生氢气，且金属靶材的表面容易与氧结合生成氧化膜。


4.根据权利要求1所述的激光制氢的方法，其特征在于，所述金属靶材选自铝、铁、镁、锌或其合金。


5.根据权利要求1所述的激光制氢的方法，其特征在于，所述高脉冲能量激光的脉冲能量≥1mJ。


6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：平尾一之，袁永恒，龚强，
申请(专利权)人：苏州思美特表面材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32