本发明专利技术涉及可再生清洁能源领域，具体为一种光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法及装置。该方法利用具有高光热转换效率和高电解水催化活性的复合纳米碳薄膜吸收太阳光产生热量蒸发海水产生淡水，同时以该薄膜为电解水的阴极，设计带连通器的电解池引入电解质溶液，光照并通电后实现连续地海水淡化
【技术实现步骤摘要】
光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法及装置
[0001]本专利技术涉及可再生清洁能源领域，具体为一种光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法及装置，利用界面水蒸发淡化海水并以复合纳米碳薄膜作为催化电极连续全分解水产生高纯氢气和氧气。
技术介绍
[0002]氢气作为一种重要的清洁能源载体，其单位能量密度高达285MJ/Mol，将在未来可持续能源经济中发挥越来越重要的作用。预计2029年全球氢能市场需求规模将达2090亿美元。但是随着碳达峰和碳中和目标的提出，热裂解化石原料制备灰氢导致的高能耗和环境污染等问题日益凸显。近年来，随着太阳能、风能、潮汐能等清洁能源发电技术的进步，电解水制绿氢被认为是最有前景的制氢技术之一。
[0003]然而全球淡水量仅占水资源总量的3.5％，淡水资源短缺严重制约了电解水制氢的发展。因此电解海水制氢被认为是实现绿色氢经济的理想途径之一。基于此，研究者们提出了两种技术方案：直接电解海水制氢和海水淡化后电解制氢。直接电解海水制氢因海水中高浓度的氯离子腐蚀电解池、不溶物堵塞电极催化活性位点、氯离子阳极反应与析氧反应竞争等问题无法解决而达不到工业应用标准。
[0004]海水淡化后电解技术得益于反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏等技术的发展，大大降低了制氢成本。随着双碳目标的提出和海上风力发电等可再生能源技术的进步，海水淡化后电解是最理想的方案之一。但海水淡化后电解仍然存在一些问题需要解决：
[0005](1)反渗透、多级闪蒸和多效蒸馏等淡化海水的方法仍有一定能耗，增加了电解海水制氢的成本；
[0006](2)淡化后的海水需要收集后再引入电解池中进行电解，增加了工艺流程，进一步增加了制氢成本；
[0007](3)以贵金属为主的电解水催化剂成本高且需要通过萘酚等粘结到电极上，造成催化剂的活性和稳定性下降。
[0008]因此，发展一种可以利用可再生能源淡化海水，并使海水淡化与水电解连续进行的方法具有重要意义，在该过程中降低全电解水催化剂成本的同时提高其活性和稳定性，可望实现低碳排放、低成本、高效率连续制氢。
技术实现思路
[0009]本专利技术的目的在于提供一种光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法及装置，通过在纳米碳薄膜上担载具有电催化全解水活性的组分构筑复合纳米碳薄膜，其可直接用作电解水的阴极和阳极；其中，作为阴极的复合纳米碳薄膜同时作为界面蒸发材料实现海水淡化，淡化后海水在通电后在阴极薄膜上发生析氢反应，OH
‑
则通过联通器中电解质扩散至阳极薄膜后发生析氧反应，由此实现海水全电解；调控复合纳米碳薄膜
的界面水蒸发能力和电催化全解水性能，从而实现低成本、高效、连续电解海水。
[0010]本专利技术的技术方案是：
[0011]一种光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，利用具有高光热转换效率的复合纳米碳薄膜将海水淡化，该薄膜同时作为电极电催化分解水，实现海水的连续高效电解；复合纳米碳薄膜以太阳光供能实现界面水蒸发，蒸发后淡水通过连通器实现电解池中电解质交换；担载有电催化活性物的复合纳米碳薄膜作为电催化析氢阴极，以连通器连接的电解池中插入担载有催化析氧功能薄膜作为阳极，通电后连续高效电解海水。
[0012]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，利用复合纳米碳薄膜界面水蒸发实现海水淡化，薄膜主体为碳纳米管、石墨烯或纳米碳纤维构筑的多孔薄膜，其具有强吸光能力和高光热转换效率，在400nm～2000nm的光谱内可吸收98％以上的光，光热转换效率约为71％，且复合纳米碳薄膜担载的贵金属、高熵合金纳米颗粒或纳米线具有等离子基元效应提高光热转换效率，以太阳光供能实现高效海水淡化。
[0013]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，通过调节薄膜的厚度、孔结构、亲疏水性薄膜结构调控光热转换效率和水蒸发速率；或者，通过调控复合纳米碳薄膜担载金属纳米颗粒或纳米线的尺寸，利用等离激元效应增强光热转换效率提高水蒸发速率。
[0014]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，所使用的复合纳米碳薄膜具有高导电、高比表面积的特点，经测试，复合纳米碳薄膜的方阻仅为1～2Ω，其比表面积为300～400m2/g，通过物理沉积或湿化学合成的方法担载不同活性组分的纳米颗粒或纳米线催化剂；其中，作为阴极的纳米碳材料薄膜担载具有高电催化析氢活性的贵金属铂纳米颗粒或纳米线；作为阳极的纳米碳材料薄膜担载具有高电催化析氧活性的铱或钌氧化纳米颗粒、高熵过渡金属纳米颗粒或纳米线。
[0015]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，该复合纳米碳薄膜具有合适的比表面积担载高密度、高活性、高稳定性的电催化析氢和电催化析氧催化剂，实现高效稳定电催化全解水。
[0016]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，为了实现复合纳米碳薄膜界面热蒸发淡化海水与电解水需要两个联通的电解池，其中一个较大容积的电解池连续注入海水并平铺具有淡化海水和电解水的双功能电催化析氢复合纳米碳薄膜，其厚度为1～50μm；另一个电解池加入硫酸或氢氧化钾电解质并插入作为电解水阳极的电催化析氧复合纳米碳薄膜，其厚度为1～50μm。
[0017]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，热蒸发
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析氢电解池中的复合纳米碳薄膜平铺于绝热基底上以提高热蒸发效率，并且在复合纳米碳薄膜和绝热基底间以具有吸水能力的细菌纤维素浸于海水中作为水输运通道。
[0018]所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，为了实现连续界面热蒸发海水与电解水的功能，采用光照实现海水高效蒸发，通电电解，淡化海水速率与电解速率相匹配即实现海水的高效电解，在阴极和阳极电解池分别收集高纯度的氢气和氧气。
[0019]一种光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的装置，包括阳极析氧
薄膜、蒸发淡水、连通传质管路、海水、海水注水口、光热/析氢复合纳米碳薄膜、水输送通道、绝热支撑模具，具体结构如下：
[0020]阳极析氧薄膜、光热/析氢复合纳米碳薄膜分别通过线路连接电源，阳极析氧薄膜负载电催化析氧活性的纳米碳复合薄膜，连通传质管路为连接阳极析氧薄膜所在蒸发淡水电解池和光热/析氢复合纳米碳薄膜所在海水电解池的中间管路，光热/析氢复合纳米碳薄膜为集光热界面热蒸发功能和电催化析氢功能与一体的复合薄膜，光热/析氢复合纳米碳薄膜通过界面热蒸发产生蒸发淡水，由连通传质管路输送至蒸发淡水的电解池中；
[0021]海水电解池中装有待蒸发净化的海水，在海水电解池侧面设有海水注水口，用于注入海水，保证界面热蒸发和全解水反应的连续性；光热/析氢复合纳米碳薄膜、水输送通道、绝热支撑模具自上而下设置于海水电解池的上部，水输送通道将下层海水吸取并传输至光热/析氢复合纳米碳薄膜处实现界面热蒸发；绝热支撑模具支撑光热/析本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，其特征在于，利用具有高光热转换效率的复合纳米碳薄膜将海水淡化，该薄膜同时作为电极电催化分解水，实现海水的连续高效电解；复合纳米碳薄膜以太阳光供能实现界面水蒸发，蒸发后淡水通过连通器实现电解池中电解质交换；担载有电催化活性物的复合纳米碳薄膜作为电催化析氢阴极，以连通器连接的电解池中插入担载有催化析氧功能薄膜作为阳极，通电后连续高效电解海水。2.按照权利要求1所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，其特征在于，利用复合纳米碳薄膜界面水蒸发实现海水淡化，薄膜主体为碳纳米管、石墨烯或纳米碳纤维构筑的多孔薄膜，其具有强吸光能力和高光热转换效率，且复合纳米碳薄膜担载的贵金属、高熵合金纳米颗粒或纳米线具有等离子基元效应提高光热转换效率，以太阳光供能实现高效海水淡化。3.按照权利要求1或2所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，其特征在于，通过调节薄膜的厚度、孔结构、亲疏水性薄膜结构调控光热转换效率和水蒸发速率；或者，通过调控复合纳米碳薄膜担载金属纳米颗粒或纳米线的尺寸，利用等离激元效应增强光热转换效率提高水蒸发速率。4.按照权利要求1所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，其特征在于，所使用的复合纳米碳薄膜具有高导电、高比表面积的特点，经测试，复合纳米碳薄膜的方阻仅为1～2Ω，其比表面积为300～400m2/g，通过物理沉积或湿化学合成的方法担载不同活性组分的纳米颗粒或纳米线催化剂；其中，作为阴极的纳米碳材料薄膜担载具有高电催化析氢活性的贵金属铂纳米颗粒或纳米线；作为阳极的纳米碳材料薄膜担载具有高电催化析氧活性的铱或钌氧化纳米颗粒、高熵过渡金属纳米颗粒或纳米线。5.按照权利要求1或4所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，其特征在于，该复合纳米碳薄膜具有合适的比表面积担载高密度、高活性、高稳定性的电催化析氢和电催化析氧催化剂，实现高效稳定电催化全解水。6.按照权利要求1所述的光热与电催化双功能复合纳米碳薄膜连续全电解海水的方法，其特征在于，为了实现复合纳米碳薄膜界面热蒸发淡化海水与电解水需要...
【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，张子初，刘畅，杨昊，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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