一种光电催化分解水制氢氧的检测系统及其使用方法与流程

1.本发明涉及新能源试验装备技术领域，特别涉及一种光电催化分解水制氢氧的检测系统及其使用方法。


背景技术：

2.光催化分解水制氢氧的目的在于提供清洁能源和可二次利用的能源，在现行资源需求的影响下，这种研究逐渐突破取得进展，尤其时氢能源它的清洁、搞笑安全、可储存的特性被视为最理想的新能源。
3.现有技术中，无论是酸性溶液作为电解液还是碱性溶液作为电解液，其核心反应为2h2o生成2h2 o24.阳极材料主要以金属合金材料或者贵金属氧化物，如ruo2，rho2为主，这些都具有较好的析氧催化活性，金属合金材料的价格低廉，在碱性电解液中具有很好的耐蚀性，但是析氧过程中电位不高，效率不佳；贵金属氧化物更加适用于酸性介质，在碱性介质中的耐蚀性较差，并且价格昂贵；即便对于阳极材料的要求高，现行研究中仍然具有技术的突破，并形成了如符合镀层电极等新型阳极的代替品；为此，阳极材料表面装饰、活性图层、复合体等能够提高阳极析氧活性的处理方法、工艺和新材料不断的涌现；
5.相比较与阳极材料，阴极材料析氢同样存在多种的选择性，如能量的因素、阴极本身几何的因素，如表面粗糙度，但在主要因素层面上，电极材料本身的化学性质对于析氢效率起到决定性作用。
6.基于上述内容，显然有必要提出一种光电催化分解水制氢氧的检测系统，以获得阳极、阴极、电解液、光催化剂选用的最佳、析氢效率最高的方式，掌握电解反应过程中的数据，以在对各种电解反应的材料、析氢氧速度进行有效的分析。


技术实现要素：

7.本发明要解决上述技术问题，首先提供一种光电催化分解水制氢氧的检测系统，本发明的技术方案具体如下：
8.一种光电催化分解水制氢氧的检测系统，包括：
9.体积和高度相同、且由一中间连管连通的第一容器和第二容器，并能够承装电解液；
10.第一电极，其安装在所述第一容器内，并作为阳极电极；
11.第二电极，其安装在所述第二容器内，并作为阴极电极；
12.供电电源，其用以接通所述第一电极和所述第二电极，以使得
13.所述第一电极能析氧、且所述第二电极能够析氢；
14.催化光源，其用以照射所述第一容器以使得所述第一电极成
15.为析氧电极；
16.重力检测单元，其用以计量所述第一容器和第二容器的重量，并将在预设时间内
形成的恒定重量通过一记录单元记录为第一数值和第二数值，所述第一数值和所述第二数值对应所述第一容器和第二容器对应所述预设时间内形成的恒定重量并作为基准数据；
17.两组压力检测单元，用以分别检测所述第一电极析氧和所述第二电极析氢后对应气体的第一压力和第二压力；
18.两组引导单元，分别与所述第一容器和第二容器连接，且两组所述引导单元分别用以基于对应压力检测单元检测到的第一压力与第二压力引导至氧检测室和氢检测室内；
19.当所述重力检测单元获得下一在预设时间内形成的恒定重量的第一记录数值和下一第二数值后，所述重力检测单元能够驱动对应所述第一容器和第二容器的引导单元停止引导动作、且所述记录单元将所述下一第一记录数值和所述下一第二数值记录作为新的基准数据；
20.其中，所述中间连管内集成有离子交换隔膜；
21.其中，所述电解液为氢氧化钠；
22.其中，所述阴极为镍基合金；
23.其中，所述阳极为能够形成活性氧化层的铌或者镍；
24.其中，所述催化光源以二氧化钛作为产生光量子的光催化剂。
25.具体地，所述氢氧化钠电解液的浓度为30％，所述阳极为ni片与光催化剂的组合，所述阴极为ni
‑
cr片,所述离子交换隔膜为全氟离子膜；
26.所述光催化剂为二氧化钛纳米管阵列膜，并基于氧化锌硬模板制作。
27.具体地，所述中间连管的两端分别连通至所述第一容器和所述第二容器的径向，并位于两者之间，且所述第一容器和所述第二容器相比较与所述中间连管呈对称布置；
28.所述第一容器和所述第二容器与所述中间连管通过法兰连接；
29.所述中间连管至所述第一容器和所述第二容器的地面存在一预设高度,所述预设高度范围为所述第一容器高度的1/3
‑
1/2。
30.具体地，所述中间连管内形成有内环安装部；
31.所述内环安装部构造出内环间隙，所述隔膜通过内六角螺钉固定在所述内环安装部上。
32.具体地，所述重力检测单元包括：
33.两组检测支座，所述第一容器和所述第二容器的下
34.方分别设置有一个所述检测支座；
35.两组重量传感器，每一个所述检测支座均设有一个所述重量传感器；
36.两组重量变送器，每一所述重量传感器对应连接一个所述重量传感器，以分别向所述记录单元传送重量数据。
37.具体地，所述记录单元包括：
38.两组时间记录模块，其记录稳定的重量数据，并基于所述预设时间输出第一数值和第二数值；
39.两组数据记录模块，其用以记录所述第一数值和所述第二数值；
40.当所述重力检测单元获得下一在预设时间内形成的恒定重量的第一记录数值和下一第二数值后，将所述第一数值和所述第二数值替换，并将所述第一数值和所述第二数值记录在以记录模块；
41.两组执行模块，其基于所述第一数值和所述第二数值产生第一执行信号和第二执行信号。
42.具体地，所述压力检测单元包括：
43.两组输送管，所述第一容器和所述第二容器上分别连接有一组输送管，以使得两组输送管分别能够连通至所述氧检测室和所述氢检测室；
44.压力检测器，每一组所述输送管上设置有一个压力检测器；
45.压力传感器，每个压力检测器连接有一个所述压力传感器；
46.电动执行器，每个压力传感器连接有一个所述电动执行器；
47.控制阀，每组所述输送管上设置有一个所述控制阀、且位于对应的所述压力检测器的下游；
48.所述电动执行器能够向对应的控制阀发送开启指令，以使得所述控制阀开启。
49.具体地，所述控制阀均设置有一个接收端，该接收端用以第一执行信号或第二执行信号，以使得对应的所述控制阀关闭。
50.具体地，所述引导单元包括：
51.两个引导管，所述控制阀对应连接一个所述引导管的一端，所述引导管的另一端对应连接所述氧检测室或者所述氢检测室；
52.管道风机，设置在所述引导管上；
53.管道风机执行模块，其对应连接所述电动执行器；
54.所述电动执行器能够获得所述控制阀的开启状态或者关闭状态；
55.所述管道风机执行模块基于所述电动执行器获得的所述控制阀的开启状态或者关闭状态以驱动所述管道风机执行以下动作，具体为：
56.当对应的控制阀关闭时，对应的所述管道风机关闭；
57.当对应的控制阀开启时，对应的所述管道风机开启。
58.另外，本发明还提供一种光电催化分解水制氢氧的检测系统的使用方法，包括如下步骤：
59.s101，构建光催化分解反应系统，具体要求为：
60.体积和高度相同、且由一中间连管10连通的第一容器100和第二容器200，并能够承装电解液；
61.第一电极1，其安装在所述第一容器内，并作为阳极电极；
62.第二电极2，其安装在所述第二容器内，并作为阴极电极；
63.供电电源20，其用以接通所述第一电极1和所述第二电极，以使得所述第一电极1能析氧、且所述第二电极能够析氢；
64.催化光源30，其用以照射所述第一容器100以使得所述第一电极成为析氧电极；
65.其中，所述中间连管10内集成有离子交换隔膜；
66.其中，所述电解液为氢氧化钠；
67.其中，所述阴极为镍基合金；
68.其中，所述阳极为能够形成活性氧化层的铌或者镍，并搭载光催化剂；
69.其中，所述催化光源30以对应的催化剂作为为产生光量子的光催化剂。
70.s102，当供电电源20接通时，获取以下参数，具体包括：
71.析氢流量和析氧流量，通过输送管610上的第一流量计b1和第二流量计b2获得；
72.第一数值a1和第二数值a2，通过重力检测单元40用以计量所述第一容器100和第二容器200的重量，并将在预设时间内形成的恒定重量通过一记录单元50记录为第一数值a1和第二数值a2，所述第一数值a1和所述第二数值a2对应所述第一容器100和第二容器200对应所述预设时间内形成的恒定重量并作为基准数据；
73.通过两组压力检测单元60，用以分别检测所述第一电极1析氧和所述第二电极2析氢后对应气体的第一压力p1和第二压力p2；
74.两组引导单元70，分别与所述第一容器100和第二容器200连接，且两组所述引导单元70分别用以基于对应压力检测单元60检测到的第一压力p1与第二压力p2引导至氧检测室3和氢检测室4内；
75.当所述重力检测单元40获得下一在预设时间内形成的恒定重量的第一记录数值an1和下一第二记录数值an2后，所述重力检测单元40能够驱动对应所述第一容器100和第二容器200的引导单元70停止引导动作、且所述记录单元50将所述下一第一记录数值an1和所述下一第二记录数值an2记录作为新的基准数据；
76.s103，利用氧检测室3和氢检测室4内设置的光谱取样管进一步测量氢含量和氧含量；
77.s104，将光电催化水解反应的数据一一记录，并在上述条件下，将阳极的光催化剂替换，重复s101至s104的步骤。
78.本发明具有以下的有益效果：
79.本申请具有能够有效的分析检测不同电极的构造，适应多种电极组合的模型，还可以配合催化光源的变化以获取更加详尽的试验过程记录，以获得不同的阴极结构、阳极结构的析氢氧效率。
附图说明
80.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
81.图1为本发明的系统结构示意图；
82.图2为本发明的中以二氧化钛为光催化剂的原理示意图；
83.图3为本发明的中以二氧化钛为光催化剂的反应原理图；
84.图4为本发明的内环安装部的结构示意图。
85.图中的附图标记表示为：
86.第一容器100、第二容器200；
87.中间连管10、供电电源20、催化光源30、重力检测单元40；记录单元50、压力检测单元60、引导单元70；
88.第一电极1、第二电极2、氧检测室3、氢检测室4；
89.第一数值a1、第二数值a2；
90.第一压力p1、第二压力p2；
91.第一记录数值an1、第二记录数值an2；
92.内环安装部110、内环间隙111；
93.检测支座410、重量传感器420、重量变送器430；
94.时间记录模块510、数据记录模块520、记录模块530、执行模块540；
95.输送管610、压力检测器620、压力传感器630；
96.电动执行器640、控制阀650；
97.引导管710、管道风机720、管道风机执行模块730；
98.第一流量计b1、第二流量计b2。
具体实施方式
99.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；需要说明的是，本申请中为了便于描述，以当前视图中“左侧”为“第一端”，“右侧”为“第二端”，“上侧”为“第一端”，“下侧”为“第二端”，如此描述的目的在于清楚的表达该技术方案，不应当理解为对本申请技术方案的不当限定。
100.阳极材料主要以金属合金材料或者贵金属氧化物，如ruo2，rho2为主，这些都具有较好的析氧催化活性，金属合金材料的价格低廉，在碱性电解液中具有很好的耐蚀性，但是析氧过程中电位不高，效率不佳；贵金属氧化物更加适用于酸性介质，在碱性介质中的耐蚀性较差，并且价格昂贵；即便对于阳极材料的要求高，现行研究中仍然具有技术的突破，并形成了如符合镀层电极等新型阳极的代替品；为此，阳极材料表面装饰、活性图层、复合体等能够提高阳极析氧活性的处理方法、工艺和新材料不断的涌现；
101.相比较与阳极材料，阴极材料析氢同样存在多种的选择性，如能量的因素、阴极本身几何的因素，如表面粗糙度，但在主要因素层面上，电极材料本身的化学性质对于析氢效率起到决定性作用。
102.基于上述内容，显然有必要提出一种光电催化分解水制氢氧的检测系统，以获得阳极、阴极、电解液、光催化剂选用的最佳、析氢效率最高的方式，掌握电解反应过程中的数据，以在对各种电解反应的材料、析氢氧速度进行有效的分析。
103.请参阅附图1为本系统的系统结构示意图，另外附图2、3为光催化剂原理及电解反应原理，有助于理解本申请的技术方案；
104.具体，如附图1所示，该光电催化分解水制氢氧的检测系统，包括：
105.体积和高度相同、且由一中间连管10连通的第一容器100和第二容器200，并能够承装电解液；
106.第一电极1，其安装在第一容器内，并作为阳极电极；
107.第二电极2，其安装在第二容器内，并作为阴极电极；
108.供电电源20，其用以接通第一电极1和第二电极，以使得
109.第一电极1能析氧、且第二电极能够析氢；
110.催化光源30，其用以照射第一容器100以使得第一电极成为析氧电极；
111.重力检测单元40，其用以计量第一容器100和第二容器200的重量，并将在预设时间内形成的恒定重量通过一记录单元50记录为第一数值a1和第二数值a2，第一数值a1和第二数值a2对应第一容器100和第二容器200对应预设时间内形成的恒定重量并作为基准数据；
112.两组压力检测单元60，用以分别检测第一电极1析氧和第二电极2析氢后对应气体的第一压力p1和第二压力p2；
113.两组引导单元70，分别与第一容器100和第二容器200连接，且两组引导单元70分别用以基于对应压力检测单元60检测到的第一压力p1与第二压力p2引导至氧检测室3和氢检测室4内；
114.当重力检测单元40获得下一在预设时间内形成的恒定重量的第一记录数值an1和下一第二数值记录an2后，重力检测单元40能够驱动对应第一容器100和第二容器200的引导单元70停止引导动作、且记录单元50将下一第一记录数值an1和下一第二记录数值an2记录作为新的基准数据；
115.其中，中间连管10内集成有离子交换隔膜；
116.其中，电解液为氢氧化钠；
117.其中，阴极为镍基合金；
118.其中，阳极为能够形成活性氧化层的铌或者镍；
119.其中，催化光源30以二氧化钛作为产生光量子的光催化剂。
120.本技术方案首先提出由第一容器100、第二容器200；中间连管10组成的试验的容器组成，通过配合直流电的供电电源20，配合催化光源30使得形成光催化电解反应；
121.重力检测单元40将单独记录第一容器100、第二容器200的重量，随着反应的不断推进，将产生析氧和析氢，由于受到离子交换隔膜的影响，会对应的释放氧气、氢气，而本系统是密闭的，随着整个系统压力的增加，压力检测单元将启动，并由引导单元70收集气体并分别引导至氧检测室3、氢检测室4，此时电解液的总量被计量，每次由记录单元50稳定记录；如此，往复进行，记录单元将获得电解反应中多个时间范围内的电解液的重量数据；还能够获得流量数据，另外氧检测室3、氢检测室4配合光谱分析，进一步得到每次引导至其内的氧气、氢气数据。如此，在变换催化光源30、替换阳极，或者替换阴极的情况下，将获得多个可用于计算析氢氧效果的数据，以便试验研发。
122.在本系统中，氢氧化钠电解液的浓度为30％，阳极为ni片与光催化剂的组合，阴极为ni
‑
cr片离子交换隔膜为全氟离子膜；光催化剂为二氧化钛纳米管阵列膜，并基于氧化锌硬模板制作；
123.本申请提供一种制作二氧化钛纳米管阵列膜的方法，具体为：
124.第一步，在ni片上加载zno纳米棒阵列模板；
125.第二步，将ni片浸涂二氧化钛前驱体溶胶，使其均匀覆盖在zno纳米棒阵列模板上；
126.第三步，利用hcl刻蚀zno纳米棒阵列模板；
127.第四步，洗涤干燥后，组装另一ni片，如此得到本申请中提及的二氧化钛纳米管阵列膜，并以此作为试验阳极。
128.请参阅图1所示，中间连管10的两端分别连通至第一容器100和第二容器200的径向，并位于两者之间，且第一容器100和第二容器200相比较与中间连管10呈对称布置；
129.第一容器100和第二容器200与中间连管10通过法兰连接；
130.中间连管10至第一容器100和第二容器200的地面存在一预设高度h,预设高度范围为第一容器100高度的1/3
‑
1/2。
131.请参阅图4所示，中间连管10内形成有内环安装部110；
132.内环安装部110构造出内环间隙111，隔膜通过内六角螺钉固定在内环安装部110上。
133.请参阅图4所示，重力检测单元40包括：
134.两组检测支座410，第一容器100和第二容器200的下方分别设置有一个检测支座410；
135.两组重量传感器420，每一个检测支座410均设有一个重量传感器420；
136.两组重量变送器430，每一重量传感器420对应连接一个重量传感器430，以分别向记录单元50传送重量数据。
137.请参阅图1所示，记录单元50包括：
138.两组时间记录模块510，其记录稳定的重量数据，并基于预设时间输出第一数值a1和第二数值a2；
139.两组数据记录模块520，其用以记录第一数值a1和第二数值a2；
140.当重力检测单元40获得下一在预设时间内形成的恒定重量的第一记录数值an1和下一第二记录数值an2后，将第一数值a1和第二数值a2替换，并将第一数值a1和第二数值a2记录在以记录模块530；
141.两组执行模块540，其基于第一数值a1和第二数值a2产生第一执行信号和第二执行信号。
142.请参阅图1所示，压力检测单元60包括：
143.两组输送管610，第一容器100和第二容器200上分别连接有一组输送管610，以使得两组输送管610分别能够连通至氧检测室3和氢检测室4，这里设置了一个输送管支架，以降低系统的结构部分本身的重量，如输送管对于重量计量的影响。
144.压力检测器620，每一组输送管610上设置有一个压力检测器620；
145.压力传感器630，每个压力检测器620连接有一个压力传感器630；
146.电动执行器640，每个压力传感器630连接有一个电动执行器640；
147.控制阀650，每组输送管610上设置有一个控制阀650、且位于对应的压力检测器620的下游；
148.电动执行器640能够向对应的控制阀650发送开启指令，以使得控制阀650开启。
149.请参阅图1
‑
4所示，控制阀650均设置有一个接收端，该接收端用以第一执行信号或第二执行信号，以使得对应的控制阀650关闭。
150.请参阅图1
‑
4所示，引导单元70包括：
151.两个引导管710，控制阀650对应连接一个引导管710的一端，引导管710的另一端对应连接氧检测室3或者氢检测室4；
152.管道风机720，设置在引导管710上；
153.管道风机执行模块730，其对应连接电动执行器640；
154.电动执行器640能够获得控制阀650的开启状态或者关闭状态；
155.管道风机执行模块730基于电动执行器640获得的控制阀650的开启状态或者关闭状态以驱动管道风机720执行以下动作，具体为：
156.当对应的控制阀关闭时，对应的管道风机720关闭；
157.当对应的控制阀开启时，对应的管道风机720开启；
158.一种光电催化分解水制氢氧的检测系统的使用方法，包括如下步骤：
159.s101，构建光催化分解反应系统，具体要求为：
160.体积和高度相同、且由一中间连管10连通的第一容器100和第二容器200，并能够承装电解液；
161.第一电极1，其安装在第一容器内，并作为阳极电极；
162.第二电极2，其安装在第二容器内，并作为阴极电极；
163.供电电源20，其用以接通第一电极1和第二电极，以使得
164.第一电极1能析氧、且第二电极能够析氢；
165.催化光源30，其用以照射第一容器100以使得第一电极成
166.为析氧电极；
167.其中，中间连管10内集成有离子交换隔膜；
168.其中，电解液为氢氧化钠；
169.其中，阴极为镍基合金；
170.其中，阳极为能够形成活性氧化层的铌或者镍，并搭载光催化剂；
171.其中，催化光源30以对应的催化剂作为为产生光量子的光催化剂。
172.s102，当供电电源20接通时，获取以下参数，具体包括：
173.析氢流量和析氧流量，通过输送管610上的第一流量计b1和第二流量计b2获得；
174.第一数值a1和第二数值a2，通过重力检测单元40用以计量第一容器100和第二容器200的重量，并将在预设时间内形成的恒定重量通过一记录单元50记录为第一数值a1和第二数值a2，第一数值a1和第二数值a2对应第一容器100和第二容器200对应预设时间内形成的恒定重量并作为基准数据；
175.通过两组压力检测单元60，用以分别检测第一电极1析氧和第二电极2析氢后对应气体的第一压力p1和第二压力p2；
176.两组引导单元70，分别与第一容器100和第二容器200连接，且两组引导单元70分别用以基于对应压力检测单元60检测到的第一压力p1与第二压力p2引导至氧检测室3和氢检测室4内；
177.当重力检测单元40获得下一在预设时间内形成的恒定重量的第一记录数值an1和下一第二记录数值an2后，重力检测单元40能够驱动对应第一容器100和第二容器200的引导单元70停止引导动作、且记录单元50将下一第一记录数值an1和下一第二记录数值an2记录作为新的基准数据；
178.s103，利用氧检测室3和氢检测室4内设置的光谱取样管进一步测量氢含量和氧含量；
179.s104，将光电催化水解反应的数据一一记录，并在上述条件下，将阳极的光催化剂替换，重复s101至s104的步骤。
180.上述系统和方法，本申请提供一个具体的试验结论，在ni阳极电解池电压为2.0v时，由0.015mol/ltio2/zno纳米棒和在ni阳极电解池电压为2.0v时，由0.015mol/ltio2/zno纳米棒和0.015mol/ltio2纳米管的ni阳极构成的过程达到相同产氢速率时，比纯ni片电极构成的传统电解水过程电耗分别降低10.0％和8.5％左右。同时，由tio2/zno纳米棒和
tio2纳米管的ni片阳极的光催化辅助电解水产氢效率比以纯ni片为阳极电解水制氢分别提高了约153％和122％。
181.综上，本申请具有能够有效的分析检测不同电极的构造，适应多种电极组合的模型，还可以配合催化光源的变化以获取更加详尽的试验过程记录，以获得不同的阴极结构、阳极结构的析氢氧效率。
182.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。