一种纳微米精密制造临界面引导液气转化的方法与流程

1.本发明涉及液气转化领域，特别是一种纳微米精密制造临界面引导液气转化的方法。


背景技术：

2.液气转化是通过两个导电材料向液体转化质施加电压，以产生气体产物。用两个导电材料浸没在液态转化质中，作为阳极电子交换器和阴极电子交换器，导电材料直接面对，并不受控制地接触液态转化质的分子或离子，在这面向和接触液态转化质的位置，将会释放或收集电子，以产生最终气体，气体将作为气泡，从液体转化质经过浮升，释放到气室。结果是输入液体转化质，施加电压，然后可以产生气体，从两个气室分别收集。然而，在产生相同数量的最终气体，所使用的电能效率并不高。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种纳微米精密制造临界面引导液气转化的方法，通过施加电压于转化池中阳极电子交换器和阴极电子交换器，转化池从液体转化质转化成气体，其中电子交换器的一侧面为设有电催化剂的导电材料，另一侧面为设有非导电材料，电子交换器放置在液体转化质与开放的气室中间位置，电子交换器面向液体转化质的一面是非导电物质，不会有任何电子的释放或收集，电子交换器设有多个穿刺通道，穿刺通道由面向液体转化质，通到面向气室的另外一侧，液态转化质分子被它的表面吸附力拉动通过电子交换器的穿刺通道，到达电子交换器另外面向开放气室的一侧，液态转化质分子会粘附在面向气室的一侧，液体转化质就在这位置转化成气体，气体将直接释放到气室中。
4.用特别临界面和表面吸附力计算法来设计穿刺通道的尺寸和厚度，每个穿刺通道都有特殊设计的图案，用特别精密工艺制造，在面向气室的一侧产生特殊的临界面，液体转化质就在这临界面位置转化成气体。在产生相同数量的最终气体，消耗的电能将被适当优化。转化池也可以应用于从液态水中转化成氢气和氧气。
5.一种纳微米精密制造临界面引导液气转化的方法，包括如下步骤：
6.转化池中的电子交换器有水平放置和垂直放置两种，在第一个选项，转化池中的阳极电子交换器和阴极电子交换器水平放置，转化池分为上部气体室和下部液体室，使用气体分离器分隔成阴极气室和阳极气室，以及使用转化质渗透性的分离膜将液体室中的阳极与阴极隔开，以防止多余气体逃逸到错误的气室中，将电子交换器的非导电面朝下并与液体转化质接触，电子交换器的导电侧朝向开放的气室，电子交换器放置在与水平线成一定度的倾斜角度，以便气体可以释放到正确的气室；
7.转化池替代步骤设计选项如下，转化池中的阳极电子交换器和阴极电子交换器垂直放置，转化池被分开，从左到右分为阴极气体室、液体转化质室、阳极气体室，使用转化质渗透性的分离膜放置在中间的液体转化质室中，以防止多余的气体逃逸到错误的气室中，将电子交换器的非导电面面向中间液体转化质室并与液体转化质接触，电子交换器的导电
侧朝向开放的气室，电子交换器放置在与垂直线成一定度的倾斜角度，以便气体可以释放到正确的气室；
8.液态转化质被送入液体转化质室，液态转化质也添加溶剂，用以使液态转化质的分子离子化，液体水位保持在预定的水平，使液态转化质可以覆盖电子交换器的穿刺通道；
9.转化池工作温度接近正常室温，气压在正常海平面大气压，转化池工作温度与气压,可以根据气体生产输出速率进行调整,转化池转化率随之提高。
10.可以调整这些参数改变转化池工作的效果；
11.所述电子交换器，电子交换器面向液体转化质的一面是非导电物质，不会有任何电子的释放或收集，整个电子交换器具有非常多的穿刺通道，穿刺通道由面向液体转化质，通到面向气室的另外一侧，液态转化质分子被它的表面吸附力拉动，通过电子交换器的穿刺通道，到达电子交换器面向气室的另外一侧，穿刺通道设计用于控制液体到达电子交换器另一侧的速度和数量，由于液态的表面吸附力，液态转化质分子会形成一层薄薄的液体粘附在电子交换器面向气室的一侧，不会溢出到气体室中，并且在这面向气室的一侧，形成一个转化的临界面，在这临界面一侧上的导电材料涂有电催化剂，跟转化质分子相互释放或收集电子，液体转化质就在这临界面位置转化成气体，气体将直接释放到气室中，这临界面减少了气泡的产生，减少了从液体转化质产生气体所需的能量势垒，也降低电子从一种介质转移到另一种介质的阻力。
12.所述电子交换器上的导电材料多个穿刺通道，通过精密工艺制造，化学蚀刻、激光钻孔或电铸工艺加工而成，制造大量小穿刺通道以覆盖电子交换器。第一个选择是化学蚀刻，它可能是形成所需电子交换器的比较低成本工艺，这化学蚀刻工艺可以应用于一块符合要求的导电材料上，化学物质用于蚀刻掉材料的特定点，以形成电子交换器的穿刺通道。第二种选择是激光钻孔，是在材料上反复施加脉冲聚焦激光能量以切割材料，激光钻穿刺通道可以应用在一块符合要求的导电材料上，以钻出电子交换器所需的所有穿刺通道。第三种选择是电铸，通过电沉积在称为心轴的模型上，制造纳米或微米级金属器件，通过电铸，用一块有所需的穿刺通道的心轴模型上，将所需的导电材料电沉积在心轴上而制成所需的电子交换器。在通过上述工艺之一制成导电材料后，在材料的一侧涂上，或高温高压压上，非导电聚合物材料，使电子交换器一侧导电，而另一侧不导电。
13.各种物理参数和穿刺通道的设计，是控制液体转化质流向电子交换器面向气室的临界面侧的关键，并使液体转化质在其临界面上方形成薄膜。所述电子交换器中的导电材料的穿刺通道，通道与通道分开的距离不能太大或太小，在纳米至微米之间，应由通过以下方法计算。
14.液态转化质会像液滴一样停留在电子交换器面向气室的一侧表面上的临界面，液滴放在临界面表面上，不会处于平衡状态。因此，它会扩散直到达到部分润湿平衡接触半径，必须考虑毛细管、地心引力和粘性贡献，
15.简单的估计计算，液滴半径r可表示为：
16.where
17.σ是表面吸附力
18.g是地心引力常数
19.θ是液体和表面的接触角
20.h是液滴的高度
21.v是液滴的体积的时间函数
22.使用更详细的模型和计算，液滴半径r(t)随时间的变化可表示为：
23.液滴半径r(t)随时间的变化可表示为：
[0024][0025]
也可以假设液态转化质分子完美的粘附情况：
[0026][0027]
γlg是液体的表面吸附力
[0028]
v是液滴体积
[0029]
η是液体的粘度
[0030]
ρ是液体的密度
[0031]
g是地心引力常数
[0032]
λ是形状因子，37.1m-1
[0033]
t0是实验延迟时间
[0034]
re是液滴平衡时的半径
[0035]
假设延迟时间为0.1到2秒来计算液滴半径，所述导电材料的的穿刺通道，通道与通道分开的距离，应该为所述液滴半径的100％到200％。
[0036]
所述电子交换器中的穿刺通道，穿刺通道的半径尺寸应足够小，以使转化质能够被表面吸附力拉动通过穿刺通道。穿刺通道的半径尺寸和厚度可以通过以下方式计算：
[0037]
液柱的高度h为
[0038][0039]
γ是液体－空气表面吸附力系数
[0040]
θ是接触角
[0041]
ρ是液体的密度
[0042]
g是重力加速度常数
[0043]
r为液柱半径。
[0044]
穿刺通道的半径应设置为不大于r。在常见的转化溶液材料中，穿刺通道的直径可以为100纳米至100微米。穿刺通道的大小可以根据施加的电压和工作温度以及所需的产气输出速率进行调整；
[0045]
电子交换器的穿刺通道的厚度应不大于h。在常见转化质材料中，导电材料厚度大
致相等100纳米至100微米，所述非导电材料的厚度应该为所述导电材料厚度的一样到五十倍，大致相等100纳米至5毫米。导电材料和非导电材料的厚度，可以根据施加的电压和工作温度，以及所需的气体生产输出速率进行调整；
[0046]
所述电子交换器上的多个穿刺通道，每个穿刺通道的穿刺开放空位，都有特殊设计的y形，星形，及圆形图案，图案可见附图，这些图案可以增强液态转化质分子粘附在电子交换器面向气室一侧的能力，并且促进电子交换让转化质分子转化为最终的气体分子。
[0047]
多个转化池可以垂直堆叠，水平堆放，在相同的物理空间放置更多的转化池，实现更高的产气量，每个单元中的水位，必须分别保持在预定的水平。
[0048]
转化池也可以应用于许多不同种类的液体转化质，转化成不同种类的气体，转化池也可以应用于从液态水中转化成氢气和氧气。
[0049]
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
附图说明
[0050]
图1所示为水平放置电子交换器的转化池示意图；
[0051]
图2所示为垂直放置电子交换器的转化池示意图；
[0052]
图3所示为多个转化池堆叠示意图；
[0053]
图4所示为穿刺通道的特殊设计y形，星形，及圆形图案。
[0054]
图中标记：
[0055]
10：阴极气室；
[0056]
20：阳极气室；
[0057]
30：转化质渗透性的分离膜；
[0058]
40：阴极电子交换器的导电面，面向气室的表面产生的临界面；
[0059]
50：阳极电子交换器的导电面，面向气室的表面产生的临界面；
[0060]
60：电子交换器的非导电面；
[0061]
70：液体转化质；
[0062]
80：过量气体出口；
[0063]
90：与水平线的倾斜角度；
[0064]
100：穿刺通道；
[0065]
210：阴极气室；
[0066]
220：阳极气室；
[0067]
230：转化质渗透性的分离膜；
[0068]
240：阴极电子交换器的导电面，面向气室的表面产生的临界面；
[0069]
250：阳极电子交换器的导电面，面向气室的表面产生的临界面；
[0070]
260：电子交换器的非导电面；
[0071]
270：液体转化质；
[0072]
280：与垂直线的倾斜角度；
[0073]
290：穿刺通道；
[0074]
310：转化池，可以多个相互垂直堆叠或水平堆放。
具体实施方式
[0075]
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。
[0076]
转化池也可以应用于许多不同种类的液体转化质，转化成不同种类的气体，转化池也可以应用于从液态水中转化成氢气和氧气，仅仅是本发明一部分实施例。
[0077]
实施例1：水平放置电子交换器的转化池，参阅附图1，提供一种纳微米精密制造临界面引导液气转化的方法，包括如下步骤：
[0078]
阳极电子交换器和阴极电子交换器，整个电子交换器具有多个穿刺通道，其中电子交换器的一侧面为设有电催化剂的导电材料40,50，另一侧面为设有非导电材料60；
[0079]
转化池分为上部气体室和下部液体室，使用气体分离器分隔成阴极气室10和阳极气室20，以及使用转化质渗透性的分离膜30将液体室中的阳极50与阴极40隔开，以防止多气体逃逸到错误的气室中；
[0080]
将电子交换器的非导电面朝下并与液体转化质接触，电子交换器放置在与水平线成0到45度的倾斜角度，图中90所示为与水平线的倾斜角度，这样设计以便气体可以释放到正确的气室，液态水被送入液体转化质室，水位保持在预定的水平，使水分子充满电子交换器的穿刺通道100，水分子被它的表面吸附力拉动通过电子交换器的穿刺通道，到达电子交换器面向气室的一侧，由于液态的表面吸附力，液态转化质分子会粘附在电子交换器面向气室的一侧产生临界面40,50，不会溢出到气体室中，液体转化质就在这临界面位置转化成气体。在电子交换器和转化池腔室壁之间留有过量意外产生气体出口80，除了这个出气口，下面的水没有其他途径溢出到上面的气室，保持水位不溢出；
[0081]
实施例2：垂直放置电子交换器的转化池，参阅附图2，提供一种纳微米精密制造临界面引导液气转化的方法，包括如下步骤：
[0082]
阳极电子交换器和阴极电子交换器，整个电子交换器具有多个穿刺通道，其中电子交换器的一侧面为设有电催化剂的导电材料240,250，另一侧面为设有非导电材料260；
[0083]
转化池分为阳极气体室210、液体转化质室、阴极气体室220，使用转化质渗透性的分离膜230放置在中间的液体转化质室中，以防止多余的气体逃逸到错误的气室中。
[0084]
电子交换器的非导电面面向中间液体转化质室并与液体转化质接触，电子交换器放置在与垂直线成0至45度的倾斜角度，图中280所示为与垂直线的倾斜角度，这样设计以便气体可以释放到正确的气室，液态水被送入中间液体转化质室，图中270所示为液体室中的液体转化质，水位保持在预定的水平，使水分子充满电子交换器的穿刺通道290，水分子被它的表面吸附力拉动通过电子交换器的穿刺通道，到达电子交换器面向气室的一侧，由于液态的表面吸附力，液态转化质分子会粘附在电子交换器面向气室的一侧产生临界面240,250，不会溢出到气体室中，液体转化质就在这临界面位置转化成气体。水位必须保持预定的水平，不会从转化液室溢出到电子交换器的顶端并进入气室。
[0085]
将氢氧化钾添加到水中，水被离子化，转化过程在一定温度下进行，转化池工作温度接近正常室温，气压在正常海平面大气压，转化池工作温度与气压,可以根据气体生产输出速率进行调整,转化池转化率随之提高。水在阴极电子交换器，水分子被它的表面吸附力
拉动通过电子交换器的穿刺通道，液态水分子会到达并粘附在电子交换器面向气室的一侧，不会溢出到气体室中，并且在这面向气室的一侧，形成一个转化的临界面，在这个位置电子被释放到水中，以将水还原为氢和氢氧根离子，氢气释放到阴极气室。
[0086]
来自阴极的氢氧根离子，通过转化质渗透性的分离膜到达阳极电子交换器，氢氧根离子被它的表面吸附力拉动通过电子交换器的穿刺通道，会到达并粘附在电子交换器面向气室的一侧，不会溢出到气体室中，并且在这面向气室的一侧，形成一个转化的临界面，氢氧根离子转化为水、氧气和电子，电子被阳极收集，氧气释放到阳极气室。
[0087]
结果是氢气和氧气从两个气室分别收集，随着更多气体的产生，更多的水被送入液体室，但始终处于预定的水平，以便水可以通过表面吸附力保持住，并且不会通过电子交换器穿刺通道溢出到气体室中。
[0088]
多个转化池310可以垂直堆叠，水平堆放，在相同的物理空间放置更多的转化池310，实现更高的产气量，每个单元中的水位，必须分别保持在预定的水平。
[0089]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。