CN117062665A - 光催化设备 - Google Patents

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photocatalyst
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格雷戈里·美莎
杰森·阿尔维诺
冈瑟·安德森
Dj·奥斯本
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Adelaide University
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University of Adelaide
Flinders University
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Abstract

本公开涉及一种用于使用包括高能量分量(诸如紫外线或UV，包括可见光)和低能量分量(诸如红外线或IR，也包括可见光)的光谱的辐射源来光催化分裂液体或气体形式的H2O以产生氢气和氧气的设备和方法。也就是说，该设备和方法都利用或涉及辐射源的整个或全部光谱来分裂H2O。该设备和方法都利用辐射集中器组件，该辐射集中器组件包括至少一个光学元件，该光学元件被布置和构造为将来自辐射源的辐射经由窗口引导到光催化剂上，以光催化地分裂H2O。所产生的氢气和氧气随后可被储存并用作燃料源。

Description

光催化设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年4月6日提交的，名称为“光催化设备(PHOTOCATALYTICAPPARATUS)”的澳大利亚临时专利申请第2021900997号的优先权，其内容在此全部引入作为参考。
技术领域
本公开涉及使用光催化剂生产氢气的领域。在特定实施例中，本公开涉及使用辐射源通过光催化分裂H2O来产生氢气的设备和方法。
背景技术
目前，全球能源(例如工业能源和运输能源)的约90％来自化石燃料能源，因为它们已呈现经济上呈现经济可负担性和可用性。然而，随着能源需求的增加、人口增长和环境关注的增长，全球经济已经认识到消耗化石燃料能源和需要改变可再生能源以替代当前对化石燃料的需要。
许多研究人员和创新人员的焦点在于设计用于能量生产(例如水力、风力、地热和太阳能)的替代方法，然而这些替代方法中的一些经常具有许多实际限制，这些限制降低了它们的效率和适用性(例如与所产生的能量的开发、维护和储存相关联的高成本)。
作为替代能源的太阳能通常被认为是替代化石燃料的最有希望的候选物。使用太阳能以光催化分裂水(H2O)是一种有前途的和简单的策略，以清洁和可储存的方式生产用作燃料的氢气。在目前可获得的光催化H2O分裂技术中，氢气(H2)和氧气(O2)析出反应在光催化剂上发生，并且H2燃料在出口处被捕获或储存。然而，由于太阳光的低能量密度，这些现有技术在可扩展性以及低太阳能到氢气(STH)输出方面存在问题。因此，需要提供一种设备和方法，其能够使用太阳能来光催化分裂H2O，从而克服了上述与之相关的挑战。
针对该背景和与其相关的问题和困难，开发了本发明。
发明内容
本公开的实施例涉及一种用于使用包括光谱的辐射源光催化分裂液体或气体形式的H2O以产生氢气和氧气的设备和方法，所述光谱包括高能量分量和低能量分量。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于使用辐射源光催化分裂H2O的设备，所述设备包括用于接收待光催化分裂的H2O的反应容器和辐射集中器组件：其中所述反应容器包括：用于将来自所述辐射源的辐射接收到所述反应容器中的窗口；用于将H2O接收到所述反应容器中的入口；位于所述反应容器内的光催化剂，其包括辐射吸收颗粒，使得在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收辐射并将所述H2O光催化分裂成氢气和氧气；用于从所述反应容器排出所述氢气和氧气的出口；并且其中辐射集中器组件包括：至少一个光学元件，其被布置和构造成将辐射引导到所述窗口上。
在一个实施例中，窗口是细长的，并且伸长的方向垂直于H2O从入口到出口的流动路径。
在一个实施例中，窗口的延伸长度大于从入口到出口的长度。
在一个实施例中，光催化剂在与细长窗口相同的方向上是细长的，并且辐射集中器组件在平行于窗口的细长方向并垂直于H2O流动路径的纵向方向上延伸。
在一个实施例中，H2O和光催化分裂的氢气和氧气通过光催化剂与窗口分离。
在一个实施例中，在使用中，H2O被引导通过反应容器，使得光催化分裂的氢气和氧气不妨碍光催化剂通过窗口吸收的辐射。
在一个实施例中，窗口位于反应容器的下侧，并且至少一个光学元件被布置为将辐射从反应容器的下侧引导到窗口上。
在一个实施例中，反应容器还包括在窗口和光催化剂之间的通道，其中通道的大小和形状使得在窗口和光催化剂之间包括H2O。
在一个实施例中，在窗口和光催化剂之间通道的厚度小于1mm。在另一个实施例中，窗口和光催化剂之间的通道厚度大于1mm。
在一个实施例中，窗口包括涂覆有红外(IR)反射层的外表面。在另一个实施例中，窗口包括涂覆有上转换涂层的外表面。
在一个实施例中，上转换涂层用于将来自定向辐射的长波长转换成短波长，并且其中红外(IR)反射涂层用于降低反应容器内的温度。
在一个实施例中，反应容器还包括从反应容器的后部或侧面向外延伸的一个或多个翅片，其中在使用中，一个或多个翅片和红外(IR)反射涂层起作用以降低反应容器内的温度。
在一个实施例中，辐射源是太阳辐射、热辐射或电磁辐射中的一种或多种。
在一个实施例中，辐射源包括光谱，该光谱包括高能量分量和低能量分量。
在一个实施例中，高能量分量是包括可见光的紫外(UV)分量，低能量分量是包括可见光的红外(IR)分量。
在一个实施例中，辐射源是太阳辐射，并且光谱包括包括可见光的紫外(UV)分量和包括可见光的红外(IR)分量的整个太阳光谱。
在一个实施例中，窗口被构造为将来自辐射源的包括高能量分量和低能量分量的光谱的辐射接收到反应容器中。
在一个实施例中，在使用中，辐射吸收颗粒吸收光谱的高能量分量以用于光催化分裂H2O。
在一个实施例中，在使用中，光谱的低能量分量增加了被光催化分裂的H2O的温度。
在一个实施例中，在使用中，光谱的低能量分量增加了H2O被辐射吸收颗粒光催化分裂的速率。
在一个实施例中，辐射集中器组件包括多个光学元件，其中光学元件中的每一个包括用于反射和集中来自辐射源的辐射的一个或多个反射器。在可选实施例中，辐射集中器组件包括多个光学元件，其中光学元件中的每一个包括一个或多个折射器以折射和集中来自辐射源的辐射。
在一个实施例中，一个或多个反射器反射和集中辐射源的高能量和低能量分量。在另一个实施例中，一个或多个折射器折射和集中辐射源的高能量和低能量分量。
在一个实施例中，一个或多个折射器是一个或多个会聚透镜。
在一个实施例中，光学元件是线性菲涅耳反射器(LFR)。
在一个实施例中，窗口是细长的，并且LFR沿着窗口的细长长度引导来自辐射源的线性辐射束。
在一个实施例中，光学元件是抛物面槽，并且其中窗口是细长的，并且抛物面槽包括凹形形状，用于沿着窗口的细长长度引导来自辐射源的线性辐射束。
在一个实施例中，光学元件是可定位和可调节的，以便跟踪辐射源，并且其中在使用中，辐射集中器组件的光学元件被定位和调节，以便最大化辐射源的辐射和被引导到窗口上的包括高能量和低能量分量的光谱。
在一个实施例中，辐射源是太阳。
在一个实施例中，辐射集中器组件反射和集中来自太阳的辐射，使得窗口接收高能量和低能量分量的全部太阳光谱，以在反应容器内光催化地分离H2O。
在一个实施例中，辐射集中器组件在使用中放大来自太阳的辐射，使得由窗口接收的反射光谱包括大于一个太阳的高能量分量和低能量分量。
在一个实施例中，该设备还包括用于从氧气中分离氢气的分离器。
在一个实施例中，分离器与反应容器的出口流体连通。
在一个实施例中，H2O为液相或气相或两者。
在一个实施例中，辐射吸收颗粒包括能够吸收辐射以光催化分裂H2O的微粒、纳米颗粒或微微颗粒中的一种或多种。
在一个实施例中，辐射吸收颗粒是半导体。
在一个实施例中，辐射吸收颗粒是辐射吸收材料。
在一个实施例中，反应容器被夹套包围，其中夹套包括一个或多个注射口和一个或多个相应的喷射口，以使冷却流体能够流过所述夹套以冷却所述反应容器，其中在使用中，所述冷却流体由所述反应容器加热并被引导到所述一个或多个喷射口的下游以用作加热的流体副产物。
在一个实施例中，反应容器是加压的。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于使用辐射源光催化分裂H2O的设备，所述设备包括用于接收待光催化分裂的H2O的反应容器和辐射集中器组件：其中所述反应容器包括：用于接收来自所述辐射源的辐射的窗口，其中所述窗口位于所述反应容器的下侧；用于将H2O接收到所述反应容器中的入口；位于所述反应容器内的光催化剂，其包括辐射吸收颗粒，使得在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收辐射并将H2O光催化分裂成氢气和氧气；用于从所述反应容器排出所述氢气和氧气的出口；其中辐射集中器组件包括：至少一个光学元件，其被布置和构造成将辐射引导到该窗口上；并且其中在使用中，H2O被引导穿过该反应容器，使得该光催化分裂的氢气和氧气不妨碍由该光催化剂经由该窗口吸收的辐射。
根据本公开的另外的方面，提供了一种使用辐射源光催化分裂H2O的设备，该设备包括反应容器和辐射集中器组件：其中所述反应容器包括：用于将H2O接收到所述反应容器中的入口；位于所述反应容器内的光催化剂，其包括辐射吸收颗粒，使得在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收辐射并将H2O光催化分裂成氢气和氧气；用于从所述反应容器排出所述氢气和氧气的出口；窗口，其在垂直于所述H2O从所述入口到所述出口的流动路径的方向上是细长的，其中所述细长窗口接收来自所述辐射源的辐射并进入所述反应容器；并且其中该辐射集中器组件在平行于该窗口的伸长方向的纵向方向上延伸并且包括：至少一个光学元件，其被布置和构造为将辐射引导到所述细长窗口上。
根据本公开的第二方面，提供了一种使用辐射源光催化分裂H2O的方法，所述方法包括以下步骤：(a)使H2O流过包括光催化剂的反应容器的入口，其包括位于所述反应容器内的辐射吸收颗粒；(b)使用辐射集中器组件来集中来自辐射源的包括光谱的辐射，该光谱包括高能量分量和低能量分量，并且将集中的辐射引导到在垂直于反应容器中的H2O的流动路径的方向上延伸的细长窗口上；(c)将所述H2O和所述光催化剂暴露于穿过所述细长窗口的集中辐射，使得所述辐射吸收颗粒吸收所述光谱的高能量分量，以将所述H2O光催化分裂成氢气和氧气，并且所述光谱的低能量分量增加所述反应容器内的所述H2O的温度；和(d)经由反应容器的出口排出所得氢气和氧气。
在一个实施例中，在出口处排出的氢气和氧气随后在与出口流体连通的分离器中分离。
在一个实施例中，辐射源是太阳，辐射是太阳照射，光谱是太阳光谱。
在一个实施例中，高能量分量是包括可见光的紫外线(UV)，低能量分量是包括可见光的红外线(IR)。
在一个实施例中，辐射集中器组件在使用中放大来自太阳的太阳辐射，使得由窗口接收的反射光谱包括比一个太阳大的高能量分量和低能量分量。
根据本公开的另外的方面，提供了一种用于生产氢气和氧气的方法，包括使用包括在反应容器内的包括辐射吸收颗粒的光催化剂光催化分裂H2O，以及使用辐射集中器组件将辐射源集中到光催化剂和H2O两者上，以便在光催化反应中利用从辐射源发射的高能量和低能量分量两者。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于从H2O生产氢气和氧气的方法，所述方法包括使H2O流动通过包括辐射吸收颗粒的光催化剂的反应容器，以及使用辐射集中器组件将来自源的包括高能量和低能量分量的光谱的辐射集中到所述反应容器的窗口上，从而集中所述光催化剂和H2O，其中所述辐射吸收颗粒吸收所述光谱的高能量分量以将H2O光催化分裂成氢气和氧气，且所述光谱的低能量分量增加所述反应容器内的H2O的温度。
在一个实施例中，H2O是脏水，例如废水或其它工艺的水副产物。
在一个实施例中，由于谱图的低能量分量，H2O通过升高的温度被蒸馏并因此被纯化为气相。
附图说明
将参照附图讨论本公开的实施例，其中：
图1是使用辐射源光催化分裂H2O的设备的示意性透视图；
图2是多个冷却翅片的示意性透视图；
图3是与图1和2的设备一起使用的压力调节器和测气管的侧视图；
图4是图1的设备的替代示意性透视图，示出了设备和反应容器相对于来自源的定向辐射延伸的方向；
图5是与连接到H2O源的多个线性菲涅耳反射器系统一起使用的图1至4的多个设备的示例；
图6是示出了太阳光谱的光谱部分(即，分量)的图形，这些光谱部分可以用作以上附图中的任一个的设备的辐射源；
图7是说明使用图1和4中任一个的设备在升高的温度下的H2(气体)生产率的图；
图8是说明使用图1和4中任一个的设备在升高的温度下H2和O2析出速率的图；
图9是说明在升高的温度下遵循阿伦尼斯模型(Arrhenius Relationship)的H2气体析出速率的图，假设存在线性关系；
图10是该设备的替代实施例，其中该设备包括布置在一个反应容器的下侧上的窗口；
图11是沿图1的线A-A的设备的截面图；
图12是说明光催化剂(上述图中的任何一个)的响应相对于来自辐射源的增加的辐射是线性的图；
图13A是示出包括一对图10的设备的接收器组件的示意图，使得每个设备与水平方向成一定角度，在该水平方向上布置有包括多个光学元件的辐射集中器组件；
图13B是图13A的接收器的详细示意图；以及
图14是说明使用图1和4中任何一个的设备，以时间为单位测量的H2气体析出速率相对于光子通量的图。
在下面的描述中，在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相应的部分。
具体实施方式
参考任何一个附图，公开了一种设备和方法，用于使用包括高能量分量(例如紫外线或UV，包括可见光)和低能量分量(例如红外线或IR，也包括可见光)的光谱的辐射源，光催化分裂液体或气体形式的水(以下可互换地称为“H2O”)，以产生氢气(以下可互换地称为“H2”)和氧气(以下可互换地称为“O2”)。从以下公开内容显而易见的是，所产生的H2和O2可被认为是可随后储存或用于能量产生方法的化学燃料。还显而易见的是，在以下公开的任何一个实施例中，用于光催化分裂水的设备和方法利用或涉及辐射源的整个或全部光谱。还将清楚的是，在以下公开的任何一个实施例中，该设备和方法特别适用于连续地光催化分裂水以产生可以用作化学燃料的氢气和氧气。
特别地，本发明涉及一种使用辐射源(200)光催化分裂H2O的设备(100)。设备(100)包括用于接收待光催化分裂的H2O的反应容器(10)和辐射集中器组件(20)。
另外，本公开还涉及通过使用包括在反应容器(10)内的辐射吸收颗粒的光催化剂(11)光催化分裂H2O，并使用辐射集中器组件(20)将辐射源(200)集中到光催化剂(11)和H2O上，以便在光催化反应中利用从辐射源发射的高能量和低能量分量来生产H2的方法。
此外，这里讨论的辐射源的光谱的高能量分量可以可替换地被认为是光子激发分量，并且包括光谱内的至少部分可见光。这样，光催化剂(11)利用光谱的高能量分量激发光子，使得H2O被光催化分裂。类似地，这里讨论的辐射源的光谱的低能量分量也可以包括光谱内的至少部分可见光，以增加反应容器(10)内的温度。因此，可以假设光谱的高能量分量和低能量分量可以重叠，因为它们都至少部分地包括光谱内的可见光。
参照图1至5、10和11中的任一个，在一个实施例中，反应容器(10)包括用于将来自辐射源(200)的辐射接收到反应容器(10)中的窗口(12)、用于将H2O接收到反应容器(10)中的入口(13)、位于反应容器(10)内的光催化剂(11)，以及用于将H2和O2从反应容器(10)中排出的出口(14)。在使用中，光催化剂(11)的辐射吸收颗粒吸收辐射并将H2O光催化分裂成H2和O2。辐射集中器组件(20)包括至少一个光学元件(21)，其被布置和构造为将辐射引导到反应容器(10)的窗口(12)上。在该实施例中，光催化剂(11)是片材并固定在反应容器(10)内。
这里讨论的辐射源(200)可以是太阳辐射、热辐射或电磁辐射中的一种或多种。辐射源(200)被选择为使得以可再生的方式从光催化分裂H2O产生H2和O2，即，成为产生化学燃料的清洁且环境友好的方法。还选择辐射源(200)，使得它包括高能量分量和低能量分量的光谱。用于本公开的任何一个实施例中的设备(100)或方法的理想辐射源(200)之一是太阳辐射，其中光谱包括紫外(UV)和红外(IR)的整个太阳光谱，紫外(UV)至少部分地包括作为高能量分量的可见光，红外(IR)至少部分地包括作为低能量分量的可见光。
利用太阳辐射作为辐射源(200)确保存在可再生的、清洁的和环境上可用的源以光催化地溢出H2O以产生H2和O2。传统上，只有太阳光谱的UV(即高能量)分量被用于光催化分裂H2O以产生H2。在这些传统技术中，仅仅利用太阳光谱的UV分量来光催化分裂H2O是有问题的，因为太阳光谱的UV分量仅仅是总太阳光谱的大约8％。太阳光谱的低能量分量(IR)占光谱的大部分，并且传统上没有被利用或者对于现有技术产生H2是有问题的(例如，IR辐射的能量不足以激发半导体带隙上的电子)。图6图示了作为UV和可见光(VIS)的太阳光谱的比例，其被表示为沿着上部x轴的标有“高能量”和UVA/UVB的图的截面，以及IR(其被示出至少部分地包括可见光VIS)，其被表示为沿着上部x轴的标有“低能量”和IR-A/IR-B/IR-C的图的截面。本公开的目的是利用整个/全部太阳光谱来光催化分裂H2O，使得高能量分量(UV，包括可见光)将H2O光催化分裂成H2和O2，而低能量分量(IR，包括至少部分可见光)增加被光催化分裂的H2O的温度。
现在参考图1至5中的任一个，在设备(100)的一个实施例中，反应容器(10)包括在窗口(12)和光催化剂(11)之间的通道(未示出)。该通道的尺寸和形状被设计成在窗口(12)和光催化剂(11)之间容纳H2O。跨越在反应容器(10)的入口(13)和出口(14)之间的通道，使得H2O从入口(13)被引导以暴露于光催化剂(11)，由此光催化剂(11)的辐射吸收颗粒将H2O光催化地分裂成H2和O2，其然后被引导朝向出口(14)。
在上述实施例中，通道在窗口(12)和光催化剂(11)之间可包括小于1mm的厚度。或者，窗口(12)和光催化剂(11)之间的厚度可以大于1mm。也就是说，通道的大小和形状使得在窗口(12)和光催化剂(11)之间包括H2O，其中通道内的H2O层厚于1mm。在通道厚度大于1mm的替代方案中，通道内的H2O层将比通道厚度小于1mm的实施例中的H2O层更重。
在一个实施例中，作为上述实施例的替代方案，反应容器(10)包括允许H2O和随后的氢气和氧气从其中光催化分裂的设备，以与窗口(12)和光催化剂(11)分离。也就是说，在该替代实施例中，将H2O从入口(13)引导通过反应容器(10)到达出口(14)，使得光催化分裂的氢气和氧气不妨碍通过窗口(12)接收的光催化剂(11)吸收的辐射。应当理解，在该替代实施例中，该装置物理地分离H2O，光催化地分离氢气和氧气，以阻挡/封阻/反射/减少由光催化剂(11)接收的通过窗口(12)的定向辐射。该替代实施例的优点在于，通过经由阻止定向辐射到达光催化剂(11)的装置物理地分离H2O、氢气和氧气，使用中的反应容器(10)有利地在出口(14)处较高的氢气和氧气产率。
另外，在该可选实施例中，应当理解，窗口(12)和光催化剂(11)都优选采用平坦的设计、形状或配置。由此，窗口(12)和光催化剂(11)的平坦设计、形状或配置更容易使反应容器(10)具有物理分离H2O、氢气和水的装置，以防止定向辐射到达光催化剂(11)。
此外，应该理解的是，H2O、氢气和氧气可以是液体、蒸气或气体状态，并且该装置能够物理地分离这些状态中的任何一种，以阻止定向辐射到达光催化剂(11)。还应该理解的是，在H2O、氢气和氧气没有被物理地分离，并且确实妨碍光催化剂(11)接收定向辐射的情况下，这些的液体、蒸气或气体状态可以反射或减少定向辐射对光催化剂(11)的影响，从而光催化分裂H2O。
仍然参考图1至5、10或11中的任何一个，在一个实施例中，窗口(12)被构造为将来自辐射源(200)的包括高能量分量和低能量分量的光谱的辐射接收到反应容器(10)中。也就是说，窗口(12)可以是半透明或透明材料，例如玻璃，能够透射辐射源光谱的高能量分量和低能量分量。制造窗口(12)的材料优选是允许光催化剂(11)吸收尽可能多的定向辐射的材料。特别地，制造窗口(12)的材料被选择为允许同样多的高能量分量(包括可见光的UV)和低能量分量(IR)通过到达光催化剂(11)的材料。应当理解，反应容器(10)可以不通过窗口(12)接收低能量分量，低能量分量可以直接施加到容器(10)上以增加反应容器(10)内的H2O的温度。
在以上实施例的任一个中，使用中的设备(100)经由窗口(12)将来自辐射源(200)的辐射接收到反应容器(10)中，使得辐射吸收颗粒吸收来自辐射源(200)的光谱的高能量分量，以在反应容器(10)内光催化分裂H2O。也就是说，在使用中，H2O在反应容器(10)的入口(13)处被接收或注入，并且辐射源(200)的辐射被引导到窗口(12)上，使得辐射源(200)的光谱的高能量分量被用于光催化分裂H2O。
在以上实施例的任一个中，使用中的设备(100)经由窗口(12)接收来自辐射源(200)的辐射到反应容器(10)中，使得来自辐射源(200)的光谱的低能量分量增加被光催化分裂的H2O的温度。也就是说，在使用中，在反应容器(10)的入口(13)处接收或注入H2O，并且将辐射源(200)的辐射引导到窗口(12)上，使得窗口(12)能够将辐射源(200)的光谱的低能量分量传递或传输到H2O，以便增加其温度。应当理解，窗口(12)被选择其能够将光谱的低能量分量转移或传输到反应容器(10)内的H2O。在替代方案中，辐射源(200)的光谱的低能量分量可以直接施加到反应容器(10)上，使得容器(10)能够传递或传输光谱的低能量分量以增加反应容器(10)内的H2O的温度。
同样在该实施例中，在使用中，辐射源(200)的光谱的低能量分量有利地增加了H2O被辐射吸收颗粒光催化分裂的速率。也就是说，通过利用辐射源(200)的光谱的高能量分量和低能量分量两者的整个光谱，设备(100)能够利用高能量分量来光催化地分离H2O，并且通过利用低能量分量有利地增加H2O被分离的速率。以这种方式，使用了整个光谱，并且有利地增加了光催化反应的速率，因此设备(100)能够利用辐射源(200)光谱的低能量分量增加H2和O2的产生。
在一个实施例中，现在参考图8、9和12，图示说明了被设备(100)光催化分裂的H2O的温度的效果。首先参考图8，其图示了随着温度升高的H2和O2气体析出速率。基于实验室测试和实验数据，设备(100)已经证明产生的化学燃料(气体)是大约2：1H2：O2。图8示出了作为温度的函数的H2和O2生产率(气体析出速率，μmole/hr)(即气体的总产量相对于温度的梯度)。如图2所示，设备(100)的实验室测试表明，在90℃下的H2析出(即设备(100)的H2生产率)约比在23℃下大3倍。也就是说，通过利用光谱的低能量分量并增加被光催化分裂的H2O的温度，设备(100)有利地能够增加H2的产生。参考图9，标记为150℃和200℃的数据点是设备(100)实验数据的外推，说明存在通过外推显示的线性关系。
在图8和图9中，将以μmole/hr计的H2析出速率绘制为1000/温度(开尔文)的函数，以说明H2析出相对于温度的线性依赖性，其中随着温度增加没有明显的下降。化学反应速率的这种温度依赖性可以例如遵循阿伦尼斯方程：
k＝A e-Ea/RT
图11和12示出以k相对于1000/T绘制的曲线给出斜率等于-Ea/R的直线。其中；k是速率常数，A是指前因子，Ea是活化能，R是通用气体常数(8.314J K-1mol-1)，T是绝对温度(开尔文)。特别参考图9，假设保持Arrhenius行为，可以在升高的温度下产生H2。图9示出了当与23℃下的H2产量相比时，线性线以恒定斜率的投影将给出在150℃下大6倍的H2产量，以及在200℃下大9倍的H2产量。
在图12中，氢气(H2)析出速率图示为由设备(100)光催化分裂的H2O的太阳能集中结果的函数。基于实验室测试和实验数据，设备(100)已经证明光催化剂(11)对增加的定向辐射(200)的响应(即图12中的太阳能集中)有利地提供线性关系。在图14中，氢气(在Y轴上标记为“产生的体积气体”)产生速率以分钟为单位以时间的函数图示表示，说明增加光子通量(或定向辐射强度)的影响。在该图中，表示了本文所述任一实施例的光催化剂(11)，并且基于实验室测试和实验数据，证明光催化剂(11)随着辐射强度的增加而产生增加体积的氢气。
在一个实施例中，参考任何一个附图，光催化剂(11)的辐射吸收颗粒可以包括能够吸收热辐射以光催化分裂H2O的微粒、纳米颗粒或微微颗粒中的一种或多种。在另一个实施例中，光催化剂(11)的辐射吸收颗粒可以是铝掺杂的SrTiO3光催化剂。在该替代实施例的一个示例中，光催化剂(11)可以是半导体。在该替代实施例的另一个示例中，光催化剂(11)可以是辐射吸收材料。该光催化剂在365nm下具有约50％的表观量子产率，并且当太阳辐射是辐射源(200)时，该光催化剂具有约0.4％的总太阳能氢气比(“STH”)。具体参考图7，图示了使用50％UV-ATA LED作为辐射源(200)的设备(100)。在该图中，50％UV-ATA LED在55mW/cm2的最大输出下为365nm，相当于多达11个太阳(即11x的UV输出作为太阳的高能量分量，11x的IR输出作为太阳的低能量分量)，并且在入口(13)处注入或接收的H2O处于液相。图7示出了在反应容器(10)内的不同温度下随时间(反应时间)产生的总H2和O2(气体体积)(通过增加反应容器所处的烘箱的温度来改变温度)。从图中可以看出，随着反应容器(10)内温度的升高，每单位时间的H2产量增加，因此通过利用辐射源(200)的光谱的低能量分量，H2产量增加。应当理解，光催化剂(11)的辐射吸收颗粒(作为光催化剂)不是本发明的焦点，并且可以是本文未讨论的替代光催化剂，使得它是能够将H2O光催化分裂成H2和O2同时能够在变化的温度条件下操作的光催化剂。
在以上实施例中的任一个中，具体参考图1和4，反应容器(10)的窗口(12)是细长的，并且由箭头(80)指示的伸长方向垂直于H2O从入口(13)到出口(14)的流动路径。细长窗口(12)的细长长度大于H2O的流动路径的长度，由此H2O的流动路径的长度是从入口(13)到出口(14)。
在这种特定的布置中，光催化剂(11)也可以是细长的，在与细长窗口(12)相同的方向上延伸。这种布置使窗口(12)和光催化剂(11)的表面积最大化以允许在其上定向辐射，同时使H2O从入口(13)流向出口(14)时所经历的温度升高最小化。也就是说，细长窗口(12)相对于H2O流动路径的长度的尺寸被设计成使得当H2O从入口(13)流动到出口(14)时H2O所经历的温度增加最小化。
另外，辐射集中器组件(20)在与窗口(12)和光催化剂(11)两者的伸长方向平行的纵向上延伸。因此，辐射集中器组件(20)延伸的纵向方向垂直于H2O流动路径。
当H2O从入口(13)流到出口(14)时，由于H2O被引导通过反应容器(10)使得光催化分裂的氢气和氧气不妨碍光催化剂(11)经由窗口(12)吸收的辐射的特征，H2O经历的温度升高是有帮助的，因为在流动路径内不经历意外的局部温度波动。
本发明人惊奇地发现，通过构造具有细长窗口(12)的反应容器(10)，以及通过将所述辐射集中器组件(20)布置成在平行于所述窗口(12)的细长方向的纵向方向上延伸，该细长窗口(12)的细长长度大于H2O的流动路径的长度，本发明的将H2O光催化分裂成氢气和氧气的方法特别有利，以最小化当H2O从入口(14)流向出口(14)时H2O所经历的温度升高。
现在参考图5，在一个实施例中，辐射集中器组件(20)包括多个光学元件(21)，其中光学元件(21)中的每一个包括用于反射和集中来自辐射源(200)的辐射的一个或多个反射器。也就是说，一个或多个反射器能够将辐射源(200)的低能量(IR，包括至少部分可见光)和高能量(UV，包括可见光)分量反射和集中到反应容器(10)的窗口(12)上，以便通过光催化剂(11)光催化分裂H2O并同时提高H2O温度。在该实施例中，光学元件(21)是可定位和可调节的，以便能够跟踪辐射源(200)。应当理解，在辐射源(200)是太阳的情况下，光学元件(21)是可定位的和可调节的，以便能够在白天跟踪太阳，以最大化/保持/控制引导到反应容器(10)的窗口(12)上和光催化分裂H2O的太阳辐射。
在上述可选的实施例中，辐射集中器组件(20)可以包括多个光学元件(21)，其中光学元件(21)中的每一个包括一个或多个折射器(未示出)以折射和集中来自辐射源(200)的辐射。也就是说，在该可选实施例中，一个或多个折射器折射并集中辐射源的高能量和低能量分量。另外，在该可选实施例中，一个或多个折射器是一个或多个会聚透镜。应当理解，尽管图中未示出，但是多个光学元件(21)可以包括用于反射和折射来自辐射源(200)的辐射的反射器和折射器。
仍然参考图5，在辐射集中器组件(20)的一个实施例中，光学元件(21)是线性菲涅耳反射器(LFR)，已知其用于集中和引导太阳辐射(因为在这种情况下太阳将是辐射源(200))。如图所示，LFR包括光学元件(21)的阵列，光学元件(21)通常是抛物面槽，能够集中和引导来自太阳(200)的太阳辐射，这在图8中最佳地示出。在未示出的可选方案中，LFR可以包括光学元件阵列，该光学元件是能够集中和引导来自太阳(200)的太阳辐射的平面(线性)镜。在任一实施例中，反应容器(10)的窗口(12)是细长的，并且LFR沿着窗口(17)的细长长度引导来自辐射源(200)的辐射。窗口(12)是细长的，并且光学元件(21)可以包括凹形形状或平面(线性)形状(未示出)，用于沿着窗口(17)的细长长度引导来自辐射源的辐射。应当理解，LFR的光学元件(21)尤其能够将包括辐射源(200)的高能量分量和低能量分量的全光谱引导和传输到细长窗口(17)，使得包括可见光的高能量分量用于对H2O进行光催化而低能量分量用于增加被光催化分裂的H2O的温度。
在上述实施例中，其中辐射集中器组件(20)是线性菲涅耳反射器(LFR)，应当理解，存在的优点在于，在太阳是辐射源(200)的情况下，不需要移动反应容器(10)的窗口(12)。但是正是LFR跟踪辐射源(200)太阳穿过天空。这样，反应容器(10)的入口(13)和出口(14)可以有利地固定，因为当接收来自LFR的定向辐射时容器(10)保持静止。
在上述实施例中，辐射集中器组件(20)的LFR光学元件(21)被定位和调节，以便最大化辐射源(200)的辐射和被引导到反应容器(10)的窗口(12)上的包括高能量和低能量分量的光谱。反应容器(10)可以位于辐射集中器组件(20)的LFR光学元件(21)的阵列上方，如图5最佳示出的，并且光学元件(21)被定位和调节成使得来自辐射源(200)的辐射被引导到窗口(12)上。在该实施例中，反应容器(10)可以包括具有梯形空腔接收器(未示出)的主体，其中窗口(12)位于梯形空腔内，来自辐射源(200)的辐射被引导到该梯形空腔。
现在参考图13A和13B，示出了包括多个光学元件(21)的辐射集中器组件(20)的可选实施例，其中辐射集中器组件(20)布置在水平表面(其可以是平坦的水平地形)上。在该替代实施例中，一个或多个反应容器(10)可以组合以形成接收器(300)，由此一个或多个反应容器(10)不平行于水平面，并且与水平面成一定角度。如图13B所示，两个反应容器(10)与水平面成一定角度，以在每个容器(10)的细长窗口(12)和接收器(300)的表面(310)之间形成三棱柱。接收器(300)的表面(310)被特别设计成允许来自辐射集中器组件(20)的定向辐射穿过其中并到达每个容器(10)的每个细长窗口(12)上。在这种布置中，表面(310)和接收器(300)是细长的，从而细长方向与前面实施例中描述的细长窗口(12)的方向相同。在形成于细长窗口(12)和表面(310)之间的三棱柱内具有气腔。在该替代实施例中，通过与水平成一定角度，当H2O在每个反应容器(10)中被光催化分裂成氢气和氧气时，有利的是，所产生的氢气和氧气从各自的光催化剂(11)快速流到各自的出口(14)。
再次参考图5，示出了利用LFR光学元件(21)作为每个反应容器(10)的相应的辐射集中器组件(20)以使用太阳作为辐射源(200)来光催化地分离H2O的现场中的多个设备(100)的示例。在该实施例中，H2O可以源自储罐(30)并经由泵(40)泵送至各设备(100)的入口(13)以光催化分裂成化学燃料H2和O2，其随后在相应的出口(14)排出并储存在相应的H2和O2储存设施(50)内。然后，储存设备(50)内储存的H2和O2随后可以根据需要用作用于能量生产的化学燃料。以这种方式，设备(100)能够将H2O光催化地分解为H2和O2作为化学燃料，所述化学燃料容易被捕获并存储在类似(50)的设施中，并且有利地如图5所示可缩放，以最大化辐射源(200)的使用，所述辐射源(200)利用其整个光谱来产生化学燃料。应当理解，在图5的该实施例中，辐射源(200)理想地是太阳，并且设备(100)利用包括IR(其可以至少部分地包括可见光)和UV(包括可见光)的整个太阳光谱来光催化地分离H2O。
在使用LFR作为辐射集中器组件(20)的光学元件(21)的任何一个上述实施例中，在辐射源(200)是太阳的情况下，辐射集中器组件(20)反射并集中来自太阳的太阳辐射，使得窗口(12)接收高能量和低能量的全部太阳光谱，以在反应容器(10)内光催化地分裂H2O。该实施例中的辐射集中器组件(20)的优点在于其放大来自太阳的太阳辐射的能力，使得由窗口(12)接收的反射(或定向)太阳光谱包括大于一个太阳的高能量(UV，包括可见光)和低能量(IR，其可以至少部分地包括可见光)分量(即，被放大，使得太阳光谱的UV和IR分量大于直接照射到窗口上的太阳的UV和IR分量)。可以理解，如图5所示，这里公开的设备(100)可以有利地集成到现有的LFR系统中，例如那些用于集中太阳辐射的系统。
在上述实施例的任一个中，设备(100)可以进一步包括用于将H2与O2分离的分离器(60)。分离器(60)位于反应容器(10)的出口(14)的下游并通过导管(61)与之连接。应当理解，分离器(60)与反应容器(14)的出口(14)流体连通，并且可以包括H2出口(未示出)和O2出口(未示出)，由此每个H2和O2出口与相应的H2或O2存储设施(50)流体连通。
在以上实施例的任一个中，反应容器(10)可以是加压的。也就是说，在反应容器(10)的入口(13)处接收的H2O被加压以使来自入口(13)的H2O流动，允许H2O被暴露于经由窗口(12)接收的辐射源(200)的高能量和低能量分量的光催化剂(11)的辐射吸收颗粒光催化分裂，并且随后H2和O2化学燃料通过反应容器(10)的出口(14)排出。在该实施例中，参考图3，反应容器可以通过与反应容器(10)的入口(13)流体连通的背压调节器(70)加压。
在上述实施例中，反应容器还可以包括图3所示的测气管(80)。由此，通过测量在出口(14)处的H2/O2混合物的体积变化，用测气管(80)测量在反应容器(10)的出口(14)处产生的H2和O2体积。以此方式，与反应容器(10)的出口(14)流体连通的测气管(80)能够监测产生的H2与O2的比。
在以上实施例中的任一个中，在反应容器(10)或设备(100)的入口(13)处注入或接收的H2O呈液相或气相，或呈液相和气相两者。应理解，理想地，在入口(13)处注入或接收以进行光催化分裂的H2O是清洁水，然而在替代实施例中，“脏水”(例如废水或其它工艺的水副产物)可由上述实施例中的任一者的设备(100)或方法利用以产生H2。在该可选实施例中，“脏水”在适当的位置使用，因为在入口(13)注入或接收的H2O可以是液相或气相，或两者。同样在此替代实施例中，如果“脏水”处于气相中，则它可能已经被蒸馏以便处于气相中。另外，“脏水”的蒸馏可以在暴露于辐射源(200)的低能量分量期间在设备(100)内进行。应当理解，“脏水”的蒸馏有效地净化了水并将任何杂质与产生的H2和O2分离。
从公开设备(100)或方法的上述实施例的任一个中应当显而易见的是，理想地意图使用太阳能作为辐射源(200)来光催化分裂H2O以产生H2。太阳能是自由且无尽可用的清洁能源，其可帮助满足当前和未来的能量需要。因此，在任何一个上述实施例中公开的设备(100)和方法的关键优点是通过光催化分裂H2O来利用该能量以产生作为化学燃料形式的可用和可储存的氢气(H2)。在任何一个上述实施例中公开的设备(100)和方法的另一个优点是O2(即氧气)也是通过光催化分裂H2O产生的，H2O也可以用作其它能量或化学生产需要的化学燃料。
在上述实施例的任一个中，还显而易见的是，设备(100)通过光催化分裂H2O来共同产生H2和O2，H2和O2两者放热反应以释放能量。H2与O2的2：1化学计量混合物的自燃温度为570℃，这将被理解为设备(100)操作以光催化分裂H2O的“最大温度”，并且是将辐射源(200)的光谱的低能量(IR)分量施加到反应容器(10)的窗口(12)上使得H2O的温度低于该570℃的自燃温度的上限。在H2O在反应容器(10)内处于气相或蒸气相的情况下，在反应容器(10)内存在H2和O2两者的混合物，这将自燃温度提高到570℃以上。也就是说，有利地，反应容器(10)内H2和O2的存在有效地抑制了自燃过程。
在上述实施例中的任一个中，如图10最佳示出的，窗口(12)包括可以涂覆有一个或多个涂层(19)如红外(IR)反射涂层或上转换涂层的外表面。在窗口(12)的外表面上的一个或多个涂层用于多种目的，例如但不限于提供热绝缘层以帮助保护窗口(12)免受来自定向辐射的高温，帮助为窗口(12)提供防碎性能，或帮助为窗口(12)提供帮助放大或改善其上的定向辐射的性能。
在一个示例中，其中窗口(12)的外表面包括红外(IR)反射涂层(19)，IR反射涂层通过作为绝缘层起作用以降低反应容器(10)内的温度。在此示例中，IR反射涂层可另外帮助增加窗口(12)、光催化剂(11)和反应容器(10)的其它部件的寿命，其可经受由定向辐射赋予的高温的磨损。此外，在该示例中，IR反射涂层的使用可以帮助保持反应容器(10)内的温度低于H2和O2的570℃的自燃温度，同时允许使用来自辐射源(200)的较高的高能量分量(包括可见光的UV)。
在另一个示例中，其中窗口(12)的外表面包括上转换涂层(19)，当辐射被引导到窗口(12)上时，上转换涂层用于将长波长从被引导的辐射转换成短波长。在该示例中，通过将定向辐射的长波长转换为短波长，上转换涂层有利地提高了光催化剂(11)将H2O光催化分裂为氢气和氧气的能力。此外，在该示例中，上转换涂层还将可见光子转换成紫外(UV)光子。
在一个实施例中，现在参考图2，为了帮助保持反应容器(10)内和光催化剂(11)处的温度低于H2和O2化学燃料产物的自燃温度570℃，反应容器(10)可进一步包括从反应容器(10)的后部(16)或侧部(未示出)向外延伸的一个或多个冷却翅片(15)。如图2所示，一个或多个冷却翅片(15)可以从反应容器(10)的后部(16)垂直向外延伸，并且与相邻的冷却翅片(15)间隔开，以便在反应容器(10)内分散温度。有利地，包括一个或多个冷却翅片(15)起到降低反应容器(10)内的温度的作用，使得来自辐射源(200)的低能量分量(IR)可以更高，而反应容器(10)内的温度不会达到H2和O2的570℃的自燃温度，同时允许使用来自辐射源(200)的更高的高能量分量(包括可见光的UV)。应当理解，使用一个或多个冷却翅片(15)来降低反应容器(10)内的温度是反应容器(10)的被动冷却功能。在该实施例中，未示出，应当理解，一个或多个冷却翅片(15)和施加到窗口(12)的外表面上的红外(IR)涂层可以组合地起作用，以便进一步降低反应容器(10)内的温度。
在另一个实施例中，图中未示出，反应容器(10)可以被夹套(未示出)包围，其中夹套包括一个或多个注射口和一个或多个相应的喷射口，以便使冷却流体能够流过夹套以冷却反应容器(10)。以此方式，夹套起作用以便以主动方式降低反应容器(10)内的温度。类似于上述实施例和示例，夹套有助于保持反应容器(10)内的温度低于H2和O2的自燃温度570℃，同时允许使用来自辐射源(200)的较高的高能量分量(包括可见光的UV)。当使用夹套时，冷却流体被反应容器(10)加热，被导向一个或多个喷射口的下游，并随后可用作加热流体副产物(例如，用于斯特林发动机、其它利用加热流体产生能量的方法、或简单地用作工厂所需的加热流体)。这样，可以理解，一个或多个喷射口下游的加热的冷却流体可用作设备(100)的附加燃料产物。
在另一个实施例中，如图10所示，窗口(12)位于反应容器(10)的下侧。在该布置中，辐射集中器组件(20)的至少一个光学元件(21)被配置为将辐射从反应容器(10)的下侧引导到窗口(12)上。在该实施例中，反应容器(10)可以被认为是倒置或上下容器(10)，其由窗口(12)的下侧位置限定并接收来自相同下侧的定向辐射。在该实施例中，如图10所示，光催化剂(11)与窗口(12)相邻，使得H2O和随后的氢气和氧气从窗口(12)中光催化分裂，通过光催化剂(11)与窗口(12)物理分离。在该实施例中，有利地，H2O、氢气或氧气不妨碍光催化剂(11)通过窗口(12)吸收的辐射。因此，在该实施例中，任何液相、蒸气或气相不反射/偏转/阻挡/减少导向光催化剂(11)上的辐射。在该实施例中，窗口(12)的外表面在反应容器(10)的下侧，并且其可以涂覆有红外(IR)反射涂层或上转换涂层(19)中的一种或多种。
在上述实施例的任一个中，反应容器(10)可以进一步包括设置在窗口(12)和反应容器主体之间的密封件(22)。密封件(22)特别设计成防止H2O、氢气或氧气从反应容器(10)中损失。密封件(22)可以是O形环密封件，能够防止H2O、氢气或氧气损失的另一弹性密封件。密封件(22)还可以包括含有或保持反应容器(10)内的温度(或温度梯度)的性质。
除了上述任一实施例中讨论的设备(100)之外，使用辐射源(200)光催化分裂H2O的示例性方法可以包括以下步骤：
a)使H2O流动通过上述实施例中任一项的反应容器(10)的入口(13)，其包括光催化剂(11)，所述光催化剂(11)包括位于反应容器(10)的入口(13)和出口(14)之间的辐射吸收颗粒；
b)使用以上实施例中的任一个的辐射集中器组件(20)来集中来自辐射源(200)的包括光谱的辐射，该光谱包括高能量(UV，包括可见光)分量和低能量(IR，其可以至少部分地包括可见光)分量，并且将集中的辐射引导到在垂直于反应容器(10)的H2O的流动路径的方向上延伸的细长窗口(12)上；
c)将所述H2O和所述光催化剂(11)两者暴露于穿过所述细长窗口(12)的集中辐射，使得所述辐射吸收颗粒吸收所述光谱的高能量(UV，其包括可见光)分量，以将所述H2O分裂成H2和O2，并且所述光谱的低能量(IR，其可以至少部分地包括可见光)分量增加所述反应容器(10)内的所述H2O的温度；
d)经由所述反应容器的出口(14)排出所得H2和O2；以及
e)随后，在与出口(14)流体连通的分离器(60)中将排出的H2与O2分离，并将H2和O2储存在相应的储存设备(50)中。
在上述方法中，应当理解，理想地，所使用的辐射源(200)是太阳，并且辐射是太阳辐射，并且光谱是包括UV(包括可见光)和IR分量的太阳光谱。同样在该方法中，辐射集中器组件(20)在使用中放大来自太阳的太阳辐射，使得由窗口(12)接收的反射光谱包括大于太阳(或一个太阳)的高能量(包括可见光的UV)分量和低能量(IR)分量。从上述设备(100)方法和的实施例可以理解，通过利用太阳光谱的高能量(UV，包括可见光)和低能量(IR，其可以至少部分地包括可见光)分量将H2O光催化分裂成H2和O2化学燃料，提供了可缩放的、可存储的和可再生能源的解决方案。所公开的方法和设备(100)的关键优点是不存在用于H2和O2生产的光催化分裂H2O的其它副产物。
在设备(100)或方法的以上实施例中的任一个中，应了解，本发明使用辐射源(200)以连续方式光催化分裂H2O以产生氢气和氧气。也就是说，与通常为“分批生产”方法的氢气生产的现有方式不同，本公开允许H2O经由入口(13)连续流动到反应容器(10)中并且随后经由出口(14)排放所得H2和O2，条件是辐射源(200)可用于被引导并集中到反应容器(10)的窗口(12)上。这样，本公开提供了一种设备(100)和方法，其是用于生产H2和O2化学燃料的可缩放、可储存和可再生能源解决方案。
在本说明书中对任何现有技术的引用不是并且不应当被认为是承认或任何形式的建议，这些现有技术形成公知常识的一部分。
应当理解，除非另有说明或暗示，否则本说明书和所附权利要求中使用的术语“包括”和“包含”以及它们的任何派生词(例如，包括、包含、包含在内)应当被认为包括该术语所指的特征，并且不意味着排除任何附加特征的存在。
在一些情况下，为了简洁和/或帮助理解本公开的范围，单个实施例可以组合多个特征。应当理解，在这种情况下，这些多个特征可以单独提供(在单独的实施例中)，或以任何其他合适的组合提供。或者，在单独的实施例中描述单独的特征的情况下，这些单独的特征可以组合成单个实施例，除非另有说明或暗示。这也适用于可以任何组合重新组合的权利要求。即，可以修改权利要求以包括在任何其它权利要求中定义的特征。此外，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“至少以下之一：a、b或c”旨在涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c，和a-b-c。
本领域技术人员将理解，本公开在其使用方面不限于所描述的一个或多个特定应用。就本文描述或描绘的特定元件和/或特征而言，本发明也不限于其优选实施例。应当理解，本公开不限于所公开的一个或多个实施例，而是能够在不脱离由所附权利要求阐述和限定的范围的情况下进行多种重新布置、修改和替换。

Claims (29)

1.一种使用辐射源光催化分裂H2O的设备，所述设备包括用于接收待光催化分裂的H2O的反应容器和辐射集中器组件：
其中所述反应容器包括：
用于将来自所述辐射源的辐射接收到所述反应容器中的窗口；
用于将H2O接收到所述反应容器中的入口；
位于所述反应容器内的光催化剂，所述光催化剂包括辐射吸收颗粒，使得在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收辐射并将H2O光催化分裂成氢气和氧气；
用于从所述反应容器排出所述氢气和氧气的出口；以及
其中辐射集中器组件包括：
至少一个光学元件，其被布置和构造成将辐射引导到所述窗口上。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述窗口是细长的，且所述细长方向垂直于所述H2O从所述入口到所述出口的流动路径。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述光催化剂在与所述细长窗口相同的方向上是细长的，并且所述辐射集中器组件在平行于所述窗口的细长方向并垂直于所述H2O流动路径的纵向方向上延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述H2O和光催化分裂的氢气和氧气通过所述光催化剂从所述窗口分离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中在使用中，所述H2O被引导通过所述反应容器，使得所述光催化分裂的氢气和氧气不妨碍所述光催化剂经由所述窗口吸收的辐射。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述窗口位于所述反应容器的下侧，并且所述至少一个光学元件被布置为将辐射从所述反应容器的下侧引导到所述窗口上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述窗口包括涂布有红外(IR)反射涂层的外表面，其中在使用中，所述红外(IR)反射涂层用以降低所述反应容器内的温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述窗口包括涂覆有上转换涂层的外表面。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述上转换涂层用于将来自所述定向辐射的长波长转换为短波长。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其中所述反应容器还包括从所述反应容器的后部或侧部向外延伸的一个或多个翅片，其中在使用中，所述一个或多个翅片和所述红外(IR)反射涂层起作用以降低所述反应容器内的温度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述辐射源包括由高能量分量和低能量分量构成的光谱。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述辐射源是太阳辐射，并且所述光谱包括包括可见光的紫外(UV)分量和红外(IR)分量的整个太阳光谱。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述红外(IR)分量包括所述太阳光谱的至少部分可见光。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备，其中所述窗口被构造为将来自所述辐射源的包括所述高能量分量和所述低能量分量的光谱的辐射接收到所述反应容器中。
15.根据权利要求14所述的设备，其中在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收所述光谱的所述高能量分量以用于光催化分裂H2O。
16.根据权利要求14或15中任一项所述的设备，其中在使用中，所述光谱的所述低能量分量增加被光催化分裂的所述H2O的温度。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其中在使用中，所述光谱的所述低能量分量增加所述H2O被所述辐射吸收颗粒光催化分裂的速率。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述辐射集中器组件包括多个光学元件，其中所述光学元件中的每一个包括用于反射和集中来自所述辐射源的辐射的一个或多个反射器。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述一个或多个反射器反射并集中所述辐射源的高能量和低能量分量。
20.根据权利要求18或19中任一项所述的设备，其中所述光学元件是线性菲涅耳反射器(LFR)。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述窗口是细长的，并且所述LFR沿着所述窗口的细长长度引导来自所述辐射源的辐射。
22.根据权利要求18至20中任一项所述的设备，其中所述光学元件是抛物面槽，并且其中所述窗口是细长的，并且所述抛物面槽包括用于沿着所述窗口的细长长度引导来自所述辐射源的辐射的凹形形状。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的设备，其中所述光学元件是可定位和可调节的，以便跟踪所述辐射源，其中在使用中，所述辐射集中器组件的光学元件被定位和调节，以便最大化所述辐射源的辐射和被引导到所述窗口上的包括高能量分量和低能量分量的光谱。
24.根据权利要求1至17中任一项所述的设备，其中每个所述光学元件包括一个或多个折射器，以折射和集中来自所述辐射源的辐射。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述一个或多个折射器是一个或多个会聚透镜，所述会聚透镜折射和集中所述辐射源的高能量分量和低能量分量。
26.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述反应容器由夹套包围，其中所述夹套包括一个或多个注射口和一个或多个相应的喷射口，以使冷却流体能够流过所述夹套以冷却所述反应容器，其中在使用中，所述冷却流体由所述反应容器加热并被引导到所述一个或多个喷射口的下游以用作加热的流体副产物。
27.一种使用辐射源光催化分裂H2O的设备，所述设备包括用于接收待光催化分裂的H2O的反应容器和辐射集中器组件：
其中所述反应容器包括：
用于接收来自所述辐射源的辐射的窗口，其中所述窗口位于所述反应容器的下侧；
用于将H2O接收到所述反应容器中的入口；
位于所述反应容器内的光催化剂，所述光催化剂包括辐射吸收颗粒，使得在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收辐射并将H2O光催化分裂成氢气和氧气；
用于从所述反应容器排出所述氢气和氧气的出口；
其中辐射集中器组件包括：
至少一个光学元件，其被布置和构造成将辐射引导到所述窗口上；并且
其中在使用中，H2O被引导通过所述反应容器，使得所述光催化分裂的氢气和氧气不妨碍所述光催化剂经由所述窗口吸收的辐射。
28.一种使用辐射源光催化分裂H2O的设备，所述设备包括反应容器和辐射集中器组件：
其中所述反应容器包括：
用于将H2O接收到所述反应容器中的入口；
位于所述反应容器内的光催化剂，所述光催化剂包括辐射吸收颗粒，使得在使用中，所述辐射吸收颗粒吸收辐射并将H2O光催化分裂成氢气和氧气；
用于从所述反应容器排出所述氢气和氧气的出口；
窗口，其在垂直于所述H2O从所述入口到所述出口的流动路径的方向上是细长的，其中所述细长窗口接收来自所述辐射源的辐射并进入所述反应容器；以及
其中所述辐射集中器组件在平行于所述窗口的伸长方向的纵向方向上延伸并且包括：
至少一个光学元件，其被布置和构造为将辐射引导到所述细长窗口上。
29.一种使用辐射源光催化分裂H2O的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)使H2O流过包括光催化剂的反应容器的入口，所述光催化剂包括位于所述反应容器内的辐射吸收颗粒；
(b)使用辐射集中器组件来集中来自所述辐射源的包括光谱的辐射，所述光谱包括高能量分量和低能量分量，将集中的辐射引导到在垂直于反应容器中的H2O的流动路径的方向上延伸的细长窗口上；
(c)将所述H2O和所述光催化剂暴露于穿过所述细长窗口的集中辐射，使得所述辐射吸收颗粒吸收所述光谱的高能量分量以将所述H2O光催化分裂成氢气和氧气，并且所述光谱的低能量分量增加所述反应容器内的所述H2O的温度；以及
(d)经由反应容器的出口排出所得氢气和氧气。
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