太阳能制氢

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澳大利亚科学家称已经发现了一种取之不尽的能量，可以在未来的50亿年中提供给人们价格低廉而又无污染的能源。换句话说，科学家们们已经发现了利用太阳能的新方法。在新南威尔士大学，参与太阳能氢计划的教授们演示了如何利用太阳能将水中的氢提取出来，这一反应过程用二氧化钛作催化剂。研究人员认为这一发现对人类具有重大意义，因为氢的用途十分广泛，它可以用来加热、做饭、烘干，如果以氢为原料，每个建筑物和家庭都可以有自己独立的能源供应设施。除此之外，用氢作为能源的汽车引擎，它的工作效率将比现在的汽车提高两倍。研究人员希望他们能够在未来的7年内开始大规模的使用太阳能。它的潜力不可估量，可以和现有的许多能源竞争市场，包括煤、石油和天然气，假如一切顺利的话，7年之内这种采用新方法提取的能源即可上市。
* O7 }$ u1 a$ G3 y( [0 P　　时下，通往氢经济的道路正在变得更加光明：分解水分子释放氢气的纳米管可以更有效地工作，它们很快就能利用阳光中的可见光部分了。
　　光催化剂可能比太阳能电池更便宜，产生的氢气也比微生物法产生的氢气更多。问题在于，用于水分解的光催化剂必须在水中才能工作，而且，它们只对紫外线发生反应，而紫外线在阳光中只占大约4％。那些能够吸收阳光辐射中更丰富的可见光部分的物质，本身又容易在水中分解。目前，科学家已经转而使用二氧化钛纳米管来解决效率问题。管状二氧化钛的效率，约为传统薄膜状二氧化钛的5倍，因为管状的外形可以使电子更持久地保持自由状态。因此，一个电子拥有更多机会来分解一个水分子。美国宾夕法尼亚州立大学的团队，已经利用6微米长的二氧化钛纳米管，将紫外线到氢气的转换效率提升到了12％。在1瓦特紫外线的照射下，纳米管每小时可以产生80毫升的氢气，这是纯光催化系统的最高效率纪录。现在，两个科研团队美国得克萨斯大学奥斯汀分校以及宾夕法尼亚州立大学的科学家，已经开始设计能够对可见光发生反应的二氧化钛纳米管。他们把碳加到二氧化钛纳米管中，使纳米管吸收的光波波长向电磁波谱的可见光部分偏移。据称，在一种人造的紫外线和可见光的混合光源照射下，这种偏移令水分解的效率增加了1倍。他们的下一步计划是，开发一种能够在纯可见光下仍然保持高效的纳米管材料。这两个团队的目标是，将二氧化钛纳米管在可见光中的水分解效率提升到10％以上，这也是美国能源部2010年的目标。计算显示，如果用一种在可见光下效率可达12％的光催化剂来覆盖一户屋顶，那么它每天制造的氢气，就相当于11升汽油。
2 \9 l- y1 t' Y* t' n+ B　　南京大学环境材料与再生能源研究中心课题组在世界上首次开发成功可见光响应型水全分解光催化剂，实现了在实际太阳光下光催化分解水制氢。这一成果曾在《自然》等国际著名学术刊物上发表几十篇高水平论文，并取得国内外专利30余项，在国内学术界和产业界引起很大反响。
3 V, P9 d/ B% Z: d2 m　　由西安交通大学申报的利用太阳能规模制氢的基础研究项目通过评审，成为2003年度'973'计划批准立项的25个项目之一。未来五年，该项目将获得总额为2200万元的专项资金资助。利用太阳能规模制氢的基础研究项目获准立项及今后研究工作的开展，对于我国能源问题的解决具有重大意义，也是当前能源科学技术领域基础研究国际竞争的焦点之一。该项目由6个课题组成，参与该项目的单位还有中科院工程热物理所、大连化物所、兰州化物所以及上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学等。

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太阳能制氢技术
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      氢能是一种高效、无污染的新能源，利用可再生能源制氢是开发氢能源的有效途径。文章总结了国内外目前利用太阳能制氢技术的发展现状，介绍了利用光伏系统转化的电能电解水制氢和利用太阳能的热化学反应循环制氢2种清洁无污染的制氢工艺。

) s4 T4 n" }7 L! e  s) h      开发清洁的可再生能源，可以解决能源和环境问题。氢能具有高效、清洁、无污染和易于产生的特点，被视为最理想的能源载体。利用可再生能源制氢是未来能源的发展趋势。太阳能制氢是未来制氢的主要途径之一。目前，利用太阳能制氢的主要工艺方法：①利用光伏系统转化成的电能进行电解水制氢；②利用太阳能转换的热能进行热化学反应循环制氢。本文介绍产物只有氢和氧的制氢工艺方法。

      1  利用光伏系统转化的电能电解水制氢
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      利用光伏系统将太阳能转化成电能，再通过电解水制氢的工艺流程如图1所示。

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( D# M! {$ P$ _1 l7 F; K8 J/ E. h+ Q6 ?4 Y
! D# D2 W. l" C: ^  @% `! N9 G      从图1可以看出，整个系统由光伏电池，最大能量输出跟踪器(MP5yr)和电解槽组成。
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6 j& B" W) c  k+ O      由于光伏电池产生的是直流电，无需进行交直流转换就可以直接与电解槽相连接，为电解水制氢提供动力。为适应光伏电池的安伏特性，需要配备一个最大能量输出跟踪器(MP5yr)，以保证光伏电池始终工作在最大能量输出点。电解槽技术从19世纪初开始发展起来。图2—4表示了碱性电解槽(A1kaline E1ectmlyzer)、离子交换膜电解槽(PEM E1ectmlyzer)和固体氧化物电解槽(S01id0xide E1ectmlyzer)的基本原理。


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                                                         来源：香港大学机械工程系