氢气生产方法和装置

1.本发明涉及一种氢气生产方法和装置，更具体地涉及一种由含石墨烯的液体生产氢气的方法和实施该方法的装置。


背景技术：

2.本领域已知通过水电解生产氢气和氧气。例如，pl203716公开了一种通过水电解生产氢气和氧气的装置，包括封闭的容器形式的水解器，在上部通过未到达水解器底部的不可渗透的垂直板严密地分隔成两个腔室(氧气腔室和氢气腔室)，具有氧气腔室和氢气腔室的底部充水连接，封闭在氧气腔室和氢气腔室中分开供电的电极，除其他外，还有四个电磁阀，负责排放由水解器产生的氧气和氢气的过程并维持压力直到罐中的合适值。供应到罐的水必须事先净化(以不含氯、铁、杂质)并且温度为15℃。
3.因此，需要开发一种新的氢气生产方法，同时省略水解步骤，并提供可以在燃料电池中使用的装置中生产氢气的可能性。
4.在研究和开发工作的过程中，发明人开发了一种在密封容器中无接触和无电极生产氢气的方法和装置，具有通过将氢气转移到分开的容器、燃料电池或与使用氢气的另一装置集成来回收氢气的可能性。


技术实现要素：

5.根据本发明的在液体中生产氢气的方法，其特征在于，将液体中的石墨烯颗粒的悬浮液2提供给由部分或完全可透射uv-vis-fir光波范围的透明材料制成的反应罐1.1，然后将反应罐1.1的内容物暴露于波长在uv-vis-fir光波范围的电磁辐射束，辐射由发射器3产生，之后将从液体释放的氢气通过排气口7转移到反应罐1.1外。
6.由于通过电磁辐射照射液体中的石墨烯颗粒的悬浮液2的液体表面，与石墨烯颗粒周围的层中的液体分子相互作用的电子e-从其表面发射。由于光电效应发生由与光相互作用导致的从石墨烯表面的电子发射[a.einstein,ann.d.phys.17,132(1905)]，其中电子的动能的动能φ为电子的逸出功，以从石墨烯表面移除。从石墨烯表面发射的电子e-(所谓的热电子)与液体的分子反应，导致其电离和分裂。
[0007]
在水分子的情况下，发生释放氢分子离子(1)的反应，随后发生氢分子(2)的合成：
[0008]
h2o+e
‑→
1/2o2+2h++2e
‑ꢀ
(1)
[0009]
2h++2e
‑→h2 (2)
[0010]
在醇的情况下(例如在甲醇中)，由于电磁辐射已经产生的从石墨烯表面释放的快电子e-，作为电离的结果，导致分子离子的产生及其分裂，然后导致氢分子(3)的合成。
[0011]
ch3oh+e
‑→
ch3oh
‑‑
+2e
‑→
cho++h
2 (3)
[0012]
氢气分子溶解在水中，在此其逐渐移动到液体的顶部表面，并且可以以气体释放，只要气体的浓度超过其可接受的溶解度。
[0013]
图1示出了氢气合成的示意图。
[0014]
由反应悬浮液产生的氢气的量取决于照射强度、石墨烯颗粒的浓度和液体类型，以此方式使得照射强度越高、石墨烯浓度(其中极限值是石墨烯无法在液体中形成悬浮液而是石墨烯颗粒落到底部的量)越高，产生的氢气的量越大。
[0015]
氢气释放的速度取决于光源的功率，光源的功率越大，单位时间产生的氢气的量越大；取决于暴露时间、液体中石墨烯颗粒的浓度以及液体体积与囊体积之比。
[0016]
在根据本发明的方法中，液体为去离子水或醇或其任意比例的混合物，优选地，在根据本发明的方法中，使用与水混合良好的醇，例如甲醇或乙醇或丙醇或异丙醇或其混合物。
[0017]
在根据本发明的方法中，悬浮在液体中的石墨烯颗粒是尺寸为0.1至100μm的氧化石墨烯粉末、多孔石墨烯或石墨烯片的形式。
[0018]
根据本发明的方法，液体中的石墨烯颗粒的悬浮液2可以以连续模式或周期地提供给罐1.1。
[0019]
优选地，在本发明的方法中，发射器3以连续或脉冲模式运行，发射波长在400-1100nm、优选地650-1100nm范围的电磁波。
[0020]
在本发明的方法中，在照射期间，即罐1.1的内容物暴露于电磁辐射束，通过使用连续或脉冲形式的超声波，罐1.1的内容物也剧烈地混合。
[0021]
本发明的目的还是用于实施本发明的方法的装置，其特征在于，其具有配备有构成氢气收集系统的排气口7的罐1.1，并且具有由聚焦电磁辐射束的光学系统1.3和发射器1.4组成的电磁辐射发生系统，其中发射器1.4可选地配备有电源系统3和控制系统4。
[0022]
本发明的装置具有单个容器或容器排列形式的罐1.1，以及可选地用于混合罐1.1的内容的系统6a。
[0023]
在本发明的装置中，罐1.1由部分或完全可透射uv-vis-fir光波范围的材料(例如玻璃、石英、塑料或金属)制成，金属罐包括至少一个由完全可透射uv-vis-fir光波范围的材料(例如玻璃、石英、塑料)制成的光学窗口。罐1.1可以是任何形状，优选地具有为照射和在液体表面上转移氢气而设计的大表面积。
[0024]
在图2所示的本发明的变体中，本发明的方法以此方式实施，使得将液体(水和/或醇)和给定形式、优选地片状形式的石墨烯放置在紧密的容器(囊)1中。由于片状石墨烯的疏水特性以及石墨烯质量与液体质量之比，容器中液体的整个体积由石墨烯片填充。以此方式，在液体中形成石墨烯悬浮液2。作为光源3，可以使用嵌入光学透明硅树脂4中的发光二极管、与散热器5连接以获得其稳定运行和最高导电电流的二极管。led 3可以由led阵列组成(例如3
×
3、10
×
10以及更多)以增加光发射面。优选地，囊1不与光发射器接触，并且距离d》0.2mm。在紧密的腔室中，液体表面上的空间6中氢气浓度增加，产生的氢气通过出口/排气口7转移。废液通过与供应系统9连接的阀门8填充。
[0025]
具有液体的部分或完全可透射uv-vis-fir光波范围的透明材料(玻璃、石英、透明塑料)的容器可以是任何形状，优选地具有大表面积用于照射和转移液体表面上的氢气。可以通过改变照射密度、照射时间、时间调制(连续或脉冲照射)来控制氢气产生速度。
[0026]
作为在用于在外部的、可移除的囊中产生氢气的装置的情况下或在具有内置囊的氢气生产装置中的光源，优选的是使用led、激光二极管或以连续或脉冲模式运行的激光器以及其他光源，例如卤素灯、氙灯。特别地，在基于适合在组合的组中运行的罐的自主氢气
生产装置中，具有长期的氢气累积过程。
[0027]
可以使用优选地通过镜子或透镜聚焦的太阳能辐射作为光源。
[0028]
优选的是，照射容器中液体(含石墨烯粉末的水和/或醇或其混合物)的表面。
[0029]
优选地，通过聚焦的激光束照射液体。
[0030]
优选地，通过若干激光束或发光二极管照射液体。
[0031]
还优选的是，在生产石墨烯和液体悬浮液的阶段中使用超声波以获得悬浮液的高均匀化，以加快从液体排放氢的过程。
[0032]
根据本发明的方案可以作为氢气发生器用在用于供应氢电池、以氢气填充氢气罐、以氢气饱和燃料液体的系统中，用在化学合成反应器中，用在氢燃料基电动车中、用在医学和农业中。
附图说明
[0033]
在附图中说明了实施例中本发明的目的，其中：
[0034]
图1示出了通过根据本发明的方法生产氢气的方法的示意图，名称列表：1.1-罐，1.2-液体中的石墨烯颗粒的悬浮液，1.3-光学系统，1.4-电磁辐射发射器-a：1.5-发光二极管、激光器，1.6-电源，b：1.7-太阳光，箭头表示电磁辐射发射的方向；
[0035]
图2示出了具有石墨烯溶液的容器的示意图，名称列表：1-容器(主体、板)，2-液体中的石墨烯的悬浮液，3-led形式的光发射器(led阵列)，4-用于led的密封保护的透明硅树脂，5-散热器，6-液体表面上的空间，7-排气口(氢气收集系统)，8-液体填充阀，9-液体供应系统；
[0036]
图3示出了基于底部发射的led在含液体和石墨烯混合物的囊中生产氢气的装置的垂直截面图，名称列表：1-容器，2-液体中的石墨烯的悬浮液，3-led形式的光发射器(led阵列)，4-用于led的密封保护的透明硅树脂，5-散热器，6-液体表面上的空间，7-排气口(氢气收集系统)，8-液体填充阀，9-液体供应系统，10-主体，11-电源，12-控制器(电流控制器)，13-腔室；
[0037]
图4示出了基于向侧壁发射的激光二极管在含液体和石墨烯混合物的囊中生产氢气的装置的垂直截面图，名称列表；
[0038]
图5示出了基于在悬浮液表面处发射的激光二极管在含液体和石墨烯混合物的容器中生产氢气的装置的垂直截面图；
[0039]
图6示出了基于向侧壁发射的具有反射器的卤素灯泡在含液体和石墨烯混合物的囊中生产氢气的装置的垂直截面图；
[0040]
图7示出了基于向侧壁发射的具有反射器的卤素灯泡在含液体和石墨烯混合物的囊中生产氢气的装置的截面图；
[0041]
图8示出了在含液体和石墨烯混合物的囊中生产氢气的装置的截面图，具有与使用光纤连接的激光器；
[0042]
图9是通过暴露于太阳光生产氢气的装置的截面图。
[0043]
根据本发明，装置在其基本配置中具有罐1、石墨烯和液体悬浮液2、用于聚焦来自发射器4的光束的光学系统3，发射器可以是led或激光器(图1变体a)或太阳光(图1变体b)。优选的是，与反应罐相关的其他子组件加到装置配置中，如图2所示。
具体实施方式
[0044]
在实施例中更详细展现了本发明，实施例并不限制本发明的范围。
[0045]
示例
[0046]
示例1
[0047]
氢气发生器—具有led的样式。
[0048]
现有技术已知的方案基于直接从氢气罐或从氢气发生器/电解器供应的压力罐。图2所示的根据本发明的方案可以集成在如图3所示的具有可更换的囊/罐(罐系统)的一个系统内，使用led照射。
[0049]
具有悬浮液2的囊1放置在包含氢气生产过程所需元件的装置10内(装置的主体中)。优选地，装置包括电源11和控制器12，控制器在其最简单的样式中是作为引发氢气形成的光的来源的led 3的电流(电流时间曲线)调节器。优选地，具有散热器5的led 3通过腔室13中的安装元件放置，以照射囊1的底部。囊在确保其稳定位置的装置的空腔(腔室)13中。产生的氢气通过出口/排气口(氢气收集系统)7转移。废液通过与供应系统9连接的阀门8填充。
[0050]
装置可以在如图3的位置以及在装置在任何方向上旋转90
°
的位置运行。当装置旋转180
°
时，不可能有效运行。控制器4可以具有合适的加速度传感器以提供关于装置定向的信息。
[0051]
示例2
[0052]
氢气发生器—具有激光器的样式。
[0053]
图2所示的方案可以集成在如图3所示的具有可更换的囊/罐(罐系统)的一个系统内，使用激光二极管照射。
[0054]
具有悬浮液2的囊1放置在包含氢气生产过程所需元件的装置10内(装置的主体中)。优选地，装置包括电源11和控制器12，其可以放置在具有激光二极管3的仪器内，通过使用光学系统14(例如准直器)将激光二极管的发出激光束聚焦在囊1的侧壁上。控制器12在其最简单的样式中是激光二极管电流(激光二极管电流时间曲线)的调节器，该二极管是引发氢气形成的光的来源(图4)。囊在确保其稳定位置的装置的空腔(腔室)13中。优选地，激光二极管3通过腔室13的安装元件放置，以照射囊1的侧壁。产生的氢气通过出口/排气口(氢气收集系统)7转移。
[0055]
装置可以在如图4的位置和其镜面反射以及在装置顺时针旋转90
°
的位置运行。然后激光束照射囊1的底部。
[0056]
当装置逆时针旋转90
°
时，装置不可能有效运行。然而，由于收集产生的氢气(图1元件7)的问题，装置不能旋转180
°
。控制器12可以具有合适的加速度传感器以提供关于装置定向的信息。
[0057]
示例3
[0058]
氢气发生器—具有在悬浮液表面处发射的激光器的样式。
[0059]
具有悬浮液2的囊1放置在包含氢气生产过程所需元件的装置10内(装置的主体中)。优选地，装置包括电源11和控制器12，其可以放置在具有激光二极管3的仪器内，通过使用光学系统14(例如准直器)将激光二极管的发出激光束聚焦在囊的侧壁上，正好在悬浮表面处。优选地，激光只施加于悬浮液的表面，而没有将激光施加深入到悬浮液中。控制器
12在其最简单的样式中是激光二极管的电流(激光二极管电流时间曲线)的调节器，该二极管是引发氢气形成的光的来源。囊在确保其稳定位置的装置的空腔(腔室)13中。优选地，激光二极管3通过腔室13的安装元件放置，以只照射囊1中悬浮液的表面。产生的氢气通过出口/排气口(氢气收集系统)7转移。
[0060]
装置可以在如图5的位置和其镜面反射运行。当装置在任何方向上旋转90
°
时以及旋转180
°
时，装置不可能有效运行。控制器4可以具有合适的加速度传感器以提供关于装置定向的信息。
[0061]
示例4
[0062]
氢气发生器—具有卤素灯泡和反射器的样式。
[0063]
图2中的方案可以集成在图6所示的具有可更换的囊/罐(罐系统)的一个系统内，使用具有光学系统和反射器的卤素灯泡照射。
[0064]
具有悬浮液2的囊1放置在包含氢气生产过程所需元件的装置10内(装置的主体中)。优选地，装置包括电源11和控制器12，其可以放置在具有卤素灯泡3的仪器内，通过使用光学系统14(例如聚焦透镜)将卤素灯泡的发出白光束聚焦在囊1的侧壁上。控制器12在其最简单的样式中是灯泡开关。优选地，控制器包括电力(流过灯泡的电流的时间曲线)的调节器，其是引发氢气形成的光的来源。囊在确保其稳定位置的装置的空腔(腔室)13中。优选地，卤素灯泡3包括反射器15并通过腔室13中的安装元件放置，以照射囊1的侧壁。产生的氢气通过出口/排气口(氢气收集系统)7转移。
[0065]
装置可以在如图6所示的位置和其镜面反射以及在装置顺时针旋转90
°
的位置运行。当装置逆时针旋转90
°
时，装置不可能有效运行。然而，由于收集产生的氢气(图1元件7)的问题，装置不能旋转180
°
。控制器12可以具有合适的加速度传感器以提供关于装置定向的信息。
[0066]
示例5
[0067]
氢气发生器—具有反射器的卤素灯泡并在悬浮液表面处发射的样式。
[0068]
具有悬浮液2的囊1放置在包含氢气生产过程所需元件的装置10内(装置的主体中)。优选地，装置包括电源11和控制器12，其可以放置在具有卤素灯泡3的仪器内，通过使用光学系统14(例如聚焦透镜)将卤素灯泡的发出白光束聚焦在囊的侧壁上，正好在悬浮面处。优选地，通过使用光学系统14(如聚焦透镜)将光只施加于囊1的悬浮液表面或悬浮液表面处。控制器12在其最简单的样式中是灯泡开关。优选地，控制器包括电力(流经灯泡的电流的时间曲线)的调节器，其是引发氢气形成的光的来源。囊在确保其稳定位置的装置的空腔(腔室)13中。优选地，卤素灯泡3包括反射器15并通过腔室13的安装元件放置，以仅仅照射悬浮液表面。产生的氢气通过出口/排气口(氢气收集系统)7转移。
[0069]
装置可以在如图7所示的位置和其镜面反射运行。当装置在任何方向上旋转90
°
以及旋转180
°
时，装置不可能有效运行。控制器12可以具有合适的加速度传感器以提供关于装置定向的信息。
[0070]
示例6
[0071]
氢气发生器—具有激光二极管和在悬浮液表面处发射的光纤的样式。
[0072]
图2中的方案可以集成在具有可更换的囊/罐(罐系统)的系统中，通过使用如图8所示与具有散热器的激光二极管连接的光纤，向其提供生产氢气所需的光能。
[0073]
具有悬浮液2的囊1放置在包含氢气生产过程所需元件的装置10内(装置的主体中)。优选地，装置包括电源11和控制器12，其可以放置在具有激光二极管(具有散热器)和光纤连接的仪器内。来自光纤16的激光束，通过光纤套17和最终的光学系统14，正好聚焦在悬浮液表面处。优选地，激光束只施加于悬浮液表面，而没有将激光施加深入到悬浮液中。控制器4在其最简单的样式中是激光二极管的电流(激光二极管电流时间曲线)的调节器，该二极管是引发氢气形成的光的来源。囊在确保其稳定位置的装置的空腔(腔室)13中。优选地，激光二极管3通过腔室13的安装元件放置，以仅仅照射悬浮液表面。产生的氢气通过出口/排气口(氢气收集系统)7转移。
[0074]
示例7
[0075]
通过将石墨烯和液体悬浮液暴露于太阳光生产氢气的装置。
[0076]
图9示出了通过用太阳光照射含石墨烯的液体生产氢气的装置。具有液体和石墨烯悬浮液1的罐(板)放置在含氢气生产过程所需元件的装置2内(装置的主体中)。具有太阳光3的特征的一束光落在装置的元件上，装置也能够通过使用这种辐射向控制系统4供电。优选地，装置包括控制器4，监测氢气生产过程并调节光学仪器5的设置效率，包括能够在石墨烯和液体悬浮液的表面上产生氢气形成引发点(a-z)的镜面的系统，如图8所示。由于将其安装在装置内的机制，具有悬浮液的罐(板)是可更换的。产生的氢气通过氢气收集系统7在适当的压力下进入罐7a。优选地，在罐1中使用悬浮液混合系统6a，以防止产生的氢气累积在石墨烯中。
[0077]
与没有混合系统的装置的样式相比，使用混合系统可以加快氢气生产数倍。

技术特征：
1.一种在液体中生产氢气的方法，其特征在于，将液体中的石墨烯颗粒的悬浮液(2)提供给由部分或完全可透射uv-vis-fir光波范围的透明材料制成的反应罐(1.1)，然后将反应罐(1.1)的内容物暴露于波长在uv-vis-fir光波范围的电磁辐射束，辐射由发射器(3)产生，之后将从液体释放的氢气通过排气口(7)转移到反应罐(1.1)外。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液体是去离子水或醇或其任意比例的混合物，优选地，醇是甲醇或乙醇或丙醇或异丙醇或其混合物。3.根据权利要求1-2所述的方法，其特征在于，悬浮在液体中的石墨烯颗粒是尺寸为0.1至100μm的氧化石墨烯粉末、多孔石墨烯或石墨烯片的形式。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，发射器(3)以连续或脉冲模式运行，发射波长在400-1100nm、优选地650-1100nm范围的电磁波。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在照射期间，通过使用连续或脉冲形式的超声波，罐(1.1)的内容物剧烈地混合。6.一种实施权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，其具有配备有构成氢气收集系统的排气口(7)的罐(1.1)和由聚焦电磁辐射束的光学系统(1.3)和发射器(1.4)组成的电磁辐射发生系统，其中发射器(1.4)可选地配备有电源系统(3)和控制系统(4)。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，其具有单个容器或容器排列形式的罐(1.1)，以及可选地用于混合罐(1.1)的内容物的系统(6a)。8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，罐(1.1)由部分或完全可透射uv-vis-fir光波范围的材料如玻璃、石英、塑料或金属制成，金属罐包括至少一个由完全可透射uv-vis-fir光波范围的材料如玻璃、石英、塑料制成的光学窗口。

技术总结
本发明涉及一种在液体中生产氢气的方法和实施该方法的装置，其特征在于，将液体中的石墨烯颗粒的悬浮液1.2提供给反应罐1.1，然后将反应罐的内容物暴露于波长在UV-VIS-FIR光波范围的电磁辐射束，辐射由发射器1.5产生，之后将从液体释放的氢气通过排气口7转移到反应罐外。罐外。罐外。


技术研发人员：W
受保护的技术使用者：波兰科学院低温与结构研究所
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2023/9/9