CN101160258A - 产生氢气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了产生氢气的装置、混合物和方法，其包括pH小于7的溶液，至少一种悬浮在所述溶液中的胶态金属，和第二种金属。

Description

产生氢气的装置和方法
本申请要求2005年2月18递交的、名称为产生氢气的装置和方法(apparatus and method for the production of hydrogen)的美国发明申请第11/060,960号的优先权，此处为所有目的通过引用将其合并到此文中。
技术领域
本发明涉及从水中产生氢气的方法和装置。
背景技术
氢气是很有价值的商品，其具有许多当前的和可能的应用。氢气可通过水和金属或金属化合物的化学反应产生。活性很强的金属与无机酸反应产生盐和氢气。反应式1到5是这个过程的例子，其中HX代表任何无机酸。HX可代表，例如HCl、HBr、HI、H2SO4、HNO3，但包括所有的酸。
2Li+2HX→H2+2LiX(1)
2K+2HX→H2+2KX(2)
2Na+2HX→H2+2NaX(3)
Ca+2HX→H2+CaX2(4)
Mg+2HX→H2+MgX2(5)
由于锂、钾、钠、钙和镁非常高的活性，这些反应的每一个都以极高的速度进行，这些反应以它们各自反应速度的顺序列出，在这组金属中，锂反应最快而镁反应最慢。实际上，这些反应以如此加快的速度发生，以至于在现有技术中，它们并不被考虑为合成氢气提供有用的方法。
具有中间反应性的金属经历同样的反应，但以更可控制的反应速度进行。反应式6和7是这样的例子，同样其中HX代表所有的无机酸。
Zn+2HX→H2+ZnX2(6)
2Al+6HX→3H2+2AlX3(7)
这种类型的反应，由于它们相对较慢，故反应速度更可控，因而提供了产生氢气更好的方法。但是，类似这些的金属在现有技术中并未用于产生双原子氢气，因为这些金属的代价太大。
铁与无机酸通过以下反应式中任一个反应：
Fe+2HX→H2+FeX2(8)或，
2Fe+6HX→3H2+2FeX3(9)
由于铁的活性相当低，这些反应都以相当低的反应速度进行。反应速度如此之慢，以至于在现有技术中，这些反应并不被考虑为产生双原子氢气提供有用的方法。所以，虽然铁提供了可获得性和产生单质氢需要的低价格，但它反应速度不够快，不足以用于产生氢气。
现有技术中还没有发现，例如银、金和铂的金属可在标准条件下与无机酸反应。
Ag+HX→不反应(10)
Au+HX→不反应(11)
Pt+HX→不反应(12)
因此，需要提供用于有效产生氢气的方法和装置，所述方法和装置利用相对便宜的金属。
发明概述
该公开的发明的总体目的是提供产生氢气的方法和装置。本发明的这个和其他目的是通过提供一种方法、混合物和装置来实现的：
一种产生氢气的装置，包含pH小于7的反应介质；第一种金属，其中所述第一种金属是悬浮在所述反应介质中的胶态金属；和第二种金属，其中所述第二种金属与所述反应介质接触。
根据本发明的一个优选实施方案，所述第二种金属是固体、非胶态形式。
根据另一个实施方案，所述第一种金属的反应性比所述第二种金属的反应性低。
根据另一个实施方案，所述第一种金属的反应性比所述第二种金属的反应性高。
根据另一个实施方案，所述装置包括与所述反应介质接触的第三种金属。
根据另一个实施方案，所述第三种金属是胶态形式。
根据另一个实施方案，所述第三种金属的反应性比所述第二种金属的反应性高。
根据另一个实施方案，所述装置包括容纳所述反应介质的反应容器，其中所述反应容器对所述反应介质是惰性的。
根据另一个实施方案，所述反应容器被设计为维持大于大气压的内部压力。
根据另一个实施方案，所述第一种金属是银、金、铂、锡、铅、铜、锌、铁、铝、镁、铍、镍或镉。
根据另一个实施方案，所述第二种金属是铁、铝、镁、铍、锡、铅、镍或铜。
根据另一个实施方案，所述第三种金属是铝、镁、铍或锂。
根据另一个实施方案，所述反应介质含有过氧化氢。
根据另一个实施方案，所述反应介质含有甲酸。
根据另一个实施方案，所述装置包括与所述反应介质接触的单质非金属。
根据另一个实施方案，所述装置包括能源。
根据另一个实施方案，所述能源为加热器。
根据另一个实施方案，所述能源为光源。
根据另一个实施方案，所述能源是施加于所述反应介质的电势。
根据另一个实施方案，所述装置包括阳极和阴极，其中所述阳极和阴极与所述反应介质接触，其中在阳极和阴极之间施加电势。
根据另一个实施方案，所述装置包括第三种和第四种金属，其中第二种金属、第三种金属或第四种金属中的至少一种是胶态形式。
附图简述
图1是产生氢气的反应器的图示；
图2是实验室实验设备的图示。
发明详述
图1显示了可用于产生氢气的混合物和装置。反应容器100含有反应介质102。所述反应介质优选包含水和酸，且优选pH小于5，但其他反应介质也可被使用，包括其他溶剂或非液态介质，例如凝胶状或气态介质。所述酸优选为可变浓度最大为98％(以重量计)的硫酸或可变浓度最大为35％的盐酸(以重量计)，也可使用其他酸。所述反应容器100对反应介质102是惰性的。所述反应介质102含有悬浮在溶液中的第一种胶态金属(未图示)。所述第一种胶态金属优选是低活性的金属，例如银、金、铂、锡、铅、铜、锌或镉，也可使用其他金属。
所述反应容器100也优选包含第二种金属104，至少部分地浸没在所述反应介质102中。所述第二种金属104可为任何形式，但优选为具有相对大的表面积的固体形式，例如颗粒形式。所述第二种金属104优选为具有中等活性的金属，例如铁、铝、锌、镍或锡。所述第二种金属104优选具有比第一种胶态金属更高的活性。所述第二种金属104最优选为铁，因为其具有中等反应性和低成本。优选地，所述反应介质102也含有第二种胶态金属(未图示)。所述第二种胶态金属优选具有比第二种金属104更高的活性，例如铝、镁、铍和锂。优选地，所述反应容器100也含有另一种金属(未图示)，它是不同于所述第二种金属104的金属，但一般形式(general form)相同。所以，在最优选的情况下，所述反应容器100包括与反应介质102接触的固态形式的两种金属，以及悬浮在所述反应介质102中的两种胶态金属。
或者与上述不同，所述反应介质102，除含有一种或多种胶态金属外，还可含有金属盐或金属氧化物，而不含酸和第二种金属104。优选地，所述反应介质102含有固体金属以及酸或与该固体金属同样的金属的金属盐或金属氧化物。相信，如果所述反应介质102最初含有固体金属和强酸，例如HCl或H2SO4，该酸与所述固体金属反应，产生金属离子并释放氢气，直到所述酸或固体金属充分耗尽。也相信，最初含有金属盐和适当的胶态催化剂的溶液将变成酸性的，即使最初pH高于7。另外，所述装置除一种或多种胶态金属外，还可包含金属盐、氧化物和固体金属的组合。
所述反应容器100具有允许氢气(未图示)流出的出口106。所述反应容器也可具有用于加水或其他成分的入口108以维持合适的浓度。所述反应容器也可包括与所述反应介质接触的一个或多个阳极(未图示)和一个或多个阴极(未图示)。所述阳极和阴极可用于为反应提供电能或将由反应产生的电能用于其他目的。
因为预期发生在所述反应容器中的反应被认为是共同的吸热反应，优选也提供能源112以增加反应的速度，但反应也可能通过环境热而被提供能量。虽然图1中所示的能源是加热器(热板)，也可使用其他形式的能量包括电能和光能。光或其他电磁辐射除了有能量效应外，还可能有其他效应。此外，当使用水溶液作为反应介质时，在大气压下，反应温度限于约100℃，否则会发生沸腾(忽略由于增加溶质而改变沸点)。所以，有利的是，在反应容器100中进行反应，所述反应容器设计为维持高于大气压的内部压力，以便可使用更高的反应温度。
大部分金属可在水溶液中制成胶体状态。胶体是包含分散(悬浮)在溶液中，但非溶解在溶液中的非常小的物质颗粒的材料。所以即使胶粒以固体形式存在，它们也不会从溶液中沉淀出来。因而，任何特定金属的胶体就是悬浮在溶液中的那种金属的非常小的颗粒。这些金属的悬浮颗粒可以固体(金属的)形式或离子形式存在，或以两种形式的混合物的形式存在。这些金属的非常小的粒径导致这些金属具有非常大的有效表面积。当该金属接触到其他原子或分子时，金属的这种非常大的有效表面积可使金属的表面反应急剧增加。以下描述的实验中使用的胶态金属是通过使用San Antonio，Texas的CSProsystems出售的胶体银机器而获得的。CS Prosystems的网址是www.csprosystems.com。使用此装置产生的金属胶体溶液是由电解法产生，且被认为含有的胶粒中，有些胶粒是电中性的而有些是带正电荷的。胶态金属溶液的产生可使用其他方法，使其中所有的胶粒都被认为是电中性的。认为在以下描述的实验中使用的胶态金属颗粒上的正电荷提供了额外的速度增加效应。但仍认为，很大程度上是胶粒的尺寸和所产生的胶粒表面积促成下面详述的速度增加效应的重要部分，而无论胶粒上的电荷情况如何。基于来自制造商的材料，在以下描述的实验中使用的胶体溶液中的金属颗粒尺寸被认为在0.001到0.01微米之间。在这种胶态金属溶液中，金属的浓度被认为是约百万分之5到百万分之20。
作为使用胶态形式催化剂的替代方案，也可使用提供高表面积/体积比的其他形式的催化剂，例如多孔固体、纳米金属、胶体-聚合物纳米复合物等等。通常，任何催化剂可以是任何形式，只要使得每立方米催化剂金属至少具有298,000,000m2的有效表面积，但更小的表面积比也能起作用。
所以，当任何金属以其胶态形式被应用时，无论其正常的反应性如何，该金属与无机酸的反应都可以加快的速度进行。反应式13-15是这样的概括性的反应式，其被认为是任何金属发生的反应，而不管它们正常的反应性如何，其中M代表任何金属。M例如可以代表但不限于银、铜、锡、锌、铅和镉。实际上，已发现反应式13-15所示的反应以相当快的反应速度进行，即使是在1％的酸水溶液中。
2M+2HX→2MX+H2(13)
M+2HX→MX2+H2(14)
2M+6HX→2MX3+3H2(15)
即使反应式13-15很大程度上代表了许多金属的吸热过程，特别是那些通常反应性较低的金属(例如，但不限于银、金、铜、锡、铅和锌)，但反应式13-15所示反应的速度实际上很大程度上是由于通过使用胶态金属导致的表面效应导致的。虽然反应式13-15涉及的反应以大大加快的反应速度进行，但这些反应并不能有效地产生单质氢，因为所定义的胶态金属以很低的浓度存在。
但是，通过使用比所述胶态金属更具反应性的金属，例如但不限于，金属铁、金属铝或金属镍，可成为氢气的有用制备方法。所以，如反应式16显示的，任何离子形式的胶态金属都预期与金属Me反应，其中那些金属电动序或活度序低于Me的金属将反应得最佳。
Me+M+→M+Me +(16)
由于胶态离子M+大的有效表面积，也由于金属Me与优选使用的任何具有较低反应性的金属相比具有更大的反应性，相信反应式16的反应实际上非常容易发生。实际上，对于反应性通常低于Me的金属，反应式16将导致高放热反应。所产生的金属M，将以胶体量存在，所以，认为与任何无机酸都容易进行反应，所述无机酸包括但不限于，硫酸、盐酸、氢溴酸、硝酸、氢碘酸、高氯酸和氯酸。但是，所述无机酸优选硫酸H2SO4或盐酸HCl。反应式17描述了这样的反应，其中分子式HX(或其离子形式H++X-)总体代表任何无机酸。
2M+2H++2X-→2M++H2+2X-(17)
虽然反应式17代表吸热反应，但认为反应式16中反应的放热性对此做出了补偿，使得利用周围环境条件提供的热能就可以在能量上实现这两个反应的联合。当然，提供额外的能量将加速这个过程。
所以，认为通过联合反应式18和19所示的反应，可有效并容易地产生出单质氢气。
4Me+4M+→4M+4Me +(18)
4M+4H++4X-→4M++2H2+4X-(19)
所以，在反应式18中，金属Me与胶态金属离子反应，以产生胶态金属和离子形式的Me。随后，在反应式19中，所述胶态金属与无机酸反应，以产生单质氢气并重新生成胶态金属离子。所述胶态金属离子随后将根据反应式18而再次反应，然后再根据反应式19反应，等等，以连锁反应过程的方式提供有效的单质氢气来源。原则上，任何胶态金属离子应该都能成功地进行此过程。已发现，当所述胶态金属离子的反应性在电动序表上低于所述金属Me时，所述反应最有效率地进行。反应式18和19的联合产生最后的净反应式20。作为其结果，反应式20从所述金属Me与无机酸的反应产生单质氢气。
4Me+4M+→4M+4Me +(18)
+
4M+4H++4X-→4M++2H2+4X-(19)
＝
4Me+4H+→4Me ++2H2(20)
反应式20总结了非常有效地产生单质氢气的方法，其中所述金属Me和酸被消耗。但是，认为所述元素金属Me和酸都可通过其后的伏打电化学法或热处理法而再生。认为胶态金属Mr(可与反应式18中使用的胶态金属相同或不同)可进行由反应式21和22显示的伏打氧化-还原反应。
阴极(还原反应)
4Mr ++4e-→4Mr(21)
阳极(氧化反应)
2H2O→4H++O2+4e-(22)
原则上，胶态金属Mr可为任何金属，但当所述金属具有较高(更正性)还原电位时，反应21进行得最有效率。所以，当所述胶态金属的金属电动序低于所述金属Me时，如反应式21中显示的所述胶态金属离子的还原反应进行得最有效率。因此，任何胶态金属都将成功用于反应21，但当胶态金属为例如胶态银或铅时，反应21进行得最佳，因为这些金属具有高还原电位。例如，当铅被用作反应式21和22中的胶态金属离子时，发现所述反应对非常容易发生。当显示的氧化反应和还原反应发生时，所述伏打反应产生正电压。此正电压可用于为其他化学过程提供所需的能量。实际上，产生的电压甚至可用于为在另一个反应容器中进行的利用反应式21和22的反应提供超电势(over potential)。所以，可使此电化学反应发生得更快而不需要提供外部能源。所产生的胶态金属Mr，随后可与氧化的离子金属Me反应，如在反应式23中显示的，其将导致金属Me的再生，和氧化形式的所述胶态金属的再生。
4Me ++4Mr→4Mr ++4Me(23)
实际上，反应式23描述的反应可通过使用任何胶态金属作为原料发生，但是当所述胶态金属Mr呈现高于金属Me的电动序时，该反应将最有效地进行。反应式21-23的联合产生反应式24，其代表单质金属Me的再生、酸的再生和单质氧的形成。
4Mr ++4e-→4Mr(21)
+
2H2O→4H++O2+4e-(22)
+
4Me ++4Mr→4Mr ++4Me(23)
＝
4Me ++2H2O→4H++4Me+O2(24)
当所述胶态金属Mr的金属电动序尽可能低时，反应式21和22显示的反应进行得最佳；但是，反应式23的反应在当所述胶态金属Mr的金属电动序尽可能高时，进行得最有效率。反应式24说明的净反应(仅仅是反应式21、22和23的总和)，实际上可被较高活性的胶态金属或可被低活性的胶态金属最大限度地促进。反应式21和22所示的反应与反应式23所示的反应相比而言的相对重要性，将决定所述胶态金属的最有助于反应式24所示净反应的特性。已发现，当所述胶态金属具有最大活性时，即，当所述胶态金属的金属电动序尽可能高时，反应式24中显示的净反应以最大速度进行。已发现，更具反应性的胶态金属(例如但不限于胶态镁离子或胶态铝离子)可产生最容易的阳离子金属还原过程。
反应式20和24的联合导致反应式25中显示的净反应。如以上所讨论的，当所述胶态金属的电动序低于金属Me时，反应式21所示的反应进行得最有效率。但是，当所述胶态金属的电动序高于金属Me时，对反应式23代表的反应是最有利的。因此，已观察到可同时使用两种胶态金属，一种的电动序高于金属Me，而一种的电动序低于金属Me，例如但不限于，胶态铅和胶态铝，这样能够产生最佳的净反应效率。因为反应式25仅描述了水分解成单质氢气和单质氧气，所以产生单质氢气的完整过程现在只需要水作为消耗物质，且唯一需要的能源由环境热条件提供。
4Me+4H+→4Me ++2H2(20)
+
4Me ++2H2O→4H++4Me+O2(24)
＝
2H2O→2H2+O2(25)
此过程的净结果正是水电解产生的结果。但是，此处不需提供电能。虽然提供额外的能量将导致氢气形成的速度增加，但当能源只是环境热能时，所述反应也可有效地进行。当提供额外的能量时，可以热能、电能或辐射能的形式提供。如以上所论述的，当额外的能量以热能形式提供时，可优选使用被设计维持内部压力高于周围大气压的的反应容器100，以增加溶液的沸点并增加可被提供的热能的量。胶态金属离子催化剂和金属Me，以及酸在反应过程中再生，只有水作为可消耗的材料。
可以增加氢气产生速度的另外的手段将包括在反应中使用非金属，例如但不限于碳或硫。用符号Z来代表非金属，反应式22将被反应式22A替代，由于非金属氧化物的热力学稳定性，反应式22A将更容易反应。
2H2O+Z→4H++ZO2+4e-(22A)
那么反应式24将被反应式24A替代，反应式25将被反应式25A替代。
4Me ++2H2O+Z→4H++4Me+ZO2(24A)
2H2O+Z→2H2+ZO2(25A)
所以，反应将产生非金属氧化物，例如CO2或SO2，而不是导致形成单质氧，其中非金属氧化物的热力学稳定性将为所述反应提供额外的驱动力，因而导致更快的氢气产生速度。
此过程的替代方案，包括引入过氧化氢来代替水参加反应。所以，反应式22和23说明的反应将被反应式26和27说明的相似的反应所替代。这两个反应的净结果将是反应式28代表的反应，使用单质金属Me和无机酸作为反应物产生单质氢气。
2Me+2M+→2M+2Me +(26)
+
2M+2H++2X-→2M+1+H2+2X-(27)
＝
2Me+2H+→2Me ++H2(28)
单质金属Me和无机酸随后将通过不同伏打电化学过程，随后经过热反应，从而被再生。同样，胶态金属Mr，在反应式29和30显示的氧化-还原反应中与过氧化氢反应。
阴极(还原反应)
2Mr ++2e-→2Mr(29)
阳极(氧化反应)
H2O2→2H++O2+2e-(30)
由于过氧化氢比水具有更大(较少负性)的氧化电位，如以下列出的标准氧化电位所示，所以与反应式21和22中显示的氧化-还原反应相比，反应式29和30的氧化-还原反应以增加的速度进行。
2H2O→4H++O2+4e-    ε°氧化＝-1.229V
H2O2→2H++O2+2e-    ε°氧化＝-0.695V
原则上，所述胶态金属可以是任何金属，但当所述金属具有较高(更具正性)还原电位时最有效。所以，当所述胶态金属的金属电动序尽可能低时，所述再生过程进行得最有效率。因此，任何胶态金属都将能成功应用，但当使用例如胶态银离子时，由于银的高还原电位而使该反应良好地进行。当银作为反应式29和30中的胶态金属离子使用时，此反应对可以很容易地进行。当显示的氧化反应和还原反应发生时，所述伏打反应产生正电压。此正电压可用于为其他化学过程提供所需的能量。实际上，产生的电压甚至可用于为在另一个反应容器中进行的利用反应式29和30的反应提供超电势。所以，可使此电化学过程发生得更快而不需要提供外部能源。所产生的胶态金属Mr，随后将发生反应以再生所述金属Me(反应式31)。
2Me ++2Mr→2Mr ++2Me(31)
当所述胶态金属Mr比金属Me更具反应性时，反应式31说明的反应将最有效率地进行。即，当所述胶态金属Mr的金属电动序高于金属Me时，反应式31中的反应将进行得最有效率。反应式29-31的联合产生反应式32，其代表单质金属Me的再生、酸的再生和单质氧的形成。
2Mr ++2e-→2Mr(29)
+
H2O2→2H++O2+2e-(30)
+
2Me ++2Mr→2Mr ++2Me(31)
＝
2Me ++H2O2→2H++2Me+O2(32)
反应式29和30所示的反应看起来在胶态金属Mr的金属电动序尽可能低时最佳地进行；但是，反应式31描述的反应当所述胶态金属Mr的金属电动序尽可能高时最有效率地发生。反应式32说明的净反应(只是反应式29、30和31的总和)，实际上可通过较高活性的胶态金属或通过较低活性的胶态金属被最大限度地促进。反应式29和30所示的反应与反应式31所示的反应相比而言的相对重要性，将决定所述胶态金属的最有助于反应式22所示净反应的特性。已发现，当所述胶态金属具有最大活性时，即，当所述胶态金属的金属电动序尽可能高时，反应式32中显示的净反应以最大速度进行。已发现，更具反应性的胶态金属例如，但不限于胶态镁离子和胶态铝离子，最容易产生阳离子金属还原过程。
反应式28和32的联合产生反应式33中显示的净反应。由于反应式33只描述了过氧化氢分解成单质氢和单质氧，所以产生单质氢的整个过程现在只有过氧化氢为消耗的物质，且唯一需要的能源由周围环境的热条件提供。虽然提供额外的能量将导致氢气形成速度提高，但当提供的能量只有环境热能时，所述反应也能有效地进行。当提供额外的能量时，其可以热能、电能或辐射能的形式提供。当额外的能量以热能形式提供时，会被溶剂的沸点所限制。在含水系统中，所能提供的最大温度为100℃。但是，在高于一个大气压的压力下，可得到高于100℃的温度，将提供更高的氢气产生速度。
2Me+2H+→2Me ++H2(28)
+
2Me ++H2O2→2H++2Me+O2(32)
＝
H2O2→H2+O2(33)
因为金属Me和无机酸的再生的反应速度显著低于无机酸氧化金属Me的反应速度，所以金属Me和无机酸的再生证明是这个过程的速度决定因素。因为过氧化氢的氧化(反应式30)比水的氧化(反应式22)更顺利，因此当使用过氧化氢代替水时，氢气形成的速度显著提高。当然，这必须与以下的事实相权衡，即过氧化氢显然是更昂贵的试剂，以及如反应式33所显示的，单质氢与单质氧的比例变成一份氢气比一份氧气。这与在反应式25(其中水被氧化)中的两份氢气比一份氧气的比例不同。当氢气产生的速度是最关键的因素时，使用过氧化氢将提供显著优势。
一种可增加氢气产生速度的进一步手段包括在反应中使用非金属例如，但不限于碳或硫。使用符号Z代表非金属，反应式30将被反应式30A替换，由于非金属氧化物的热力学稳定性，反应式30A将更容易反应。
H2O2+Z→2H++ZO2+2e-(30A)
反应式32将被反应式32A所替换，且反应式33将被反应式33A所替换。
2Me++H2O2+Z→2H++2Me+ZO2(32A)
H2O2+Z→H2+ZO2(33A)
所以，所述反应将产生非金属氧化物，例如CO2或SO2，而不是导致单质氧的形成，其中非金属氧化物的热力学稳定性将为反应提供额外的驱动力，从而导致更快的氢气产生速度。此过程的另一种替代方案包括引入甲酸来代替水或过氧化氢参加反应。因此，反应式22和23说明的反应可被反应式26和27说明的相似反应所代替。这两个反应的净结果将是反应式28中代表的反应，利用单质金属Me和无机酸作为反应物产生单质氢。
2Me+2M+→2M+2Me +(26)
+
2M+2H++2X-→2M+1+H2+2X-(27)
＝
2Me+2H+→2Me ++H2(28)
单质金属Me和无机酸随后将通过不同的伏打电化学法及之后的热反应而再生。但在这种情况下，胶态金属Mr在反应式29和34显示的氧化还原反应中与甲酸反应。
阴极(还原反应)
2Mr ++2e-→2Mr(29)
阳极(氧化反应)
CH2O2→2H++CO2+2e-(34)
如以下列出的标准氧化电位所示，由于相比较于水和过氧化氢呈现出的负氧化电位，甲酸具有非常有利的正氧化电位，所以相比较于反应式21和22中显示的氧化-还原反应，或反应式29和30中显示的氧化-还原反应，反应式29和34的氧化-还原反应以提高的速度进行。
2H2O→4H++O2+4e-     ε°氧化＝-1.229V
H2O2→2H++O2+2e-     ε°氧化＝-0.695V
CH2O2→2H++CO2+2e-   ε°氧化＝0.199V
原则上，胶态金属可为任何金属，但当该金属具有更高(更具正性)的还原电位时最有效率。所以，当胶态金属的金属电动序尽可能低时，再生反应进行得最有效率。因此，任何胶态金属都可能成功应用，但当例如是胶态银离子时，由于银的高还原电位，所述反应进行良好。当银被用作反应式29和34中的胶态金属离子时，发现该反应对非常容易发生。当显示的氧化和还原反应发生时，伏打反应产生正电压。此正电压可用于为其他化学过程提供所需的能量。实际上，产生的电压甚至可用于为发生在另一个反应容器中的利用反应式29和34的反应提供超电势。所以，不需要提供外部能源就可使此电化学过程进行得更快。所产生的胶态金属Mr随后将反应以再生出金属Me(反应式31)。
2Me ++2Mr→2Mr ++2Me(31)
当所述胶态金属Mr比金属Me更具反应性时，反应式31说明的反应将最有效率地进行。即，当所述胶态金属Mr的金属电动序高于金属Me时，反应式31中的反应将进行得最有效率。反应式29、34和31的联合产生了反应式35所示的净反应。反应式35代表的净反应导致单质金属Me的再生、酸的再生和二氧化碳的形成。
2Mr ++2e-→2Mr(29)
+
CH2O2→2H++CO2+2e-(34)
+
2Me ++2Mr→2Mr ++2Me(31)
＝
2Me ++CH2O2→2H++2Me+CO2(35)
当胶态金属Mr的金属电动序尽可能低时，反应式29和34所示的反应看起来发生得最佳；但是，当胶态金属Mr的金属电动序尽可能高时，反应式31描述的反应最有效率地进行。实际上，反应式35说明的净反应(只是反应式29、34和31的总和)，可被较高活性的胶态金属或被较低活性的胶态金属最大程度地促进。反应式29和34所示的反应与反应式31所示的反应相比而言的相对重要性，将决定所述胶态金属的最有助于反应式35所示净反应的特性。已发现，当胶态金属具有最大活性时，即，当胶态金属的金属电动序尽可能高时，反应式35中显示的净反应以最大速度进行。已发现，更具反应性的胶态金属例如，但不限于胶态镁离子和胶态铝离子，可产生最容易的阳离子金属还原过程。
反应式28和35的联合导致反应式36中显示的净反应。因为反应式33只描述了甲酸分解成单质氢和二氧化碳，产生单质氢的整个过程现在只有甲酸为消耗的物质，且唯一需要的能源由周围环境的热条件来提供。虽然提供额外的能量将导致氢气形成的速度提高，但当唯一的能源是周围环境的热能时，所述反应仍有效地进行。当提供的额外能量时，其可以热能、电能或辐射能的形式提供。当额外的能量以热能形式提供时，受溶剂的沸点限制。在含水系统中，可获得的最大温度为100℃。但是，在高于一个大气压的压力下，可获得高于100℃的温度，且将进一步提高氢气产生速度。
2Me+2H+→2Me ++H2(28)
+
2Me ++CH2O2→2H++2Me+CO2(35)
＝
CH2O2→H2+CO2(36)
因为金属Me和无机酸再生的反应速度显著低于无机酸氧化金属Me的反应速度，所以金属Me和无机酸的再生证明是这个过程的速度决定步骤。因为甲酸的氧化(反应式34)比水的氧化(反应式22)或过氧化氢的氧化(反应式30)更顺利，当甲酸被用来代替水或代替过氧化氢时，氢气形成的速度显著提高。当然，这必须与以下事实进行权衡，即甲酸是比水更昂贵，但不及过氧化氢昂贵的试剂，以及随氢气形成的副产物是二氧化碳而不是氧。另外，如反应式36所示的，单质氢和二氧化碳的比例是一份氢气比一份二氧化碳。这与反应式25(其中水被氧化)中，两份氢气比一份氧的比例不同。但是，当氢气产生速度是最关键的因素时，使用甲酸将提供显著的优势。
最后，虽然此处描述的所有反应式除所述胶态金属外，只使用单种金属Me，但此处讨论的所有反应都可利用两种或多种不同金属的组合来代替单种金属Me，并与一种或多种胶态金属进行反应。实际上，已显示在某些情况下，使用多种金属导致在相当长的一段时间内速度得以显著提高。例如，在实验#7和#10中，使用了金属铁和金属铝的混合物。例如，实验#10中氢气产生的稳态约每分钟100mL氢气，反应容器的总体积正好超过100mL。在实验#8和#9中，也进行相似的反应，只使用单种金属铝，证明当反应速度下降时，添加第二种金属铁，导致速度立即增加到与两种金属始终存在于所述反应时相似的速度。是什么导致这种令人印象深刻的速度的提高，这一点还不清楚。可能是多种金属都参与了反应机理并提供具有更多步骤的更复杂的反应机理，但是降低了净活化能障。另一种可能性是第二种金属可能为再生金属Me更有效地重整(reform)提供了的表面。无论如何解释，实验#9和#10都非常清楚地证明由使用两种不同的金属导致的速度提高是非常明显的且是非常有意义的。
实验结果：
实验#1概要：
含有10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl的初始溶液，与铁粒(iron pellets)(海绵铁)以及浓度分别约20ppm的约50mL胶态镁和80mL胶态铅反应。如果只根据表1所示酸的消耗，可产生出的氢气的理论最大值为8.06升。
表1
由酸消耗计算出的初始溶液最大的H2产量
酸     mL 浓度 总克数 酸的有效克数 最大H2产量
H2SO4HCl     1030 93.0％35.0％ 18.9737.52     17.6413.13     4.03升4.03升
最大H2产量     8.06升
1摩尔H2SO4产生1摩尔H2(22.4升)
1摩尔H2SO4＝98克
所以，最大收率为每克H2SO4产生0.23升的H2
2摩尔的HCl产生1摩尔的H2(22.4升)
2摩尔HCl＝73克
所以，如果没有再生反应，预期的理论最大收率为每克HCl产生0.31升的H2。
实验装置如图2所示。酸和铁溶液被放置在烧瓶202中。热板204用来为反应提供热能并维持所述溶液在约71℃的温度。由所述反应产生的气体通过管206流入体积测量装置208。所述体积测量装置208是充满水的倒置的反应容器210并被放置在水浴212中。本实验的主要目的是提供证据证明由本发明的闭环路过程产生的氢气要比理论最大值8.06升更多。
反应的速度最初非常快，并在环境温度下生成氢气。当酸暂时消耗时，再生过程生效且反应速度减慢。可对该过程加热以加速再生过程。
观察到已产生至少15升的气体，且当被中断时，该反应仍然以持续方式进行(在71℃时每秒约2个气泡)。应注意的是，观察到的15升气体并未算入可能由于泄漏引起的氢气损失。基于先前的观察结果和理论推测，最初产生的8.06升气体可能基本由纯的氢气组成，8.06升的理论阈值之外，所产生气体的66.7％(以体积计)是氢气，而另外的33.3％(以体积计)是氧气。认为此实验提供了再生过程的充足的证据。
使用氯化铁(III)(FeCl3)作为唯一的铁来源进行后续的实验，试图定性地证实逆反应。选择纯净的氯化铁(III)，因为它不含任何其他氧化态的铁。虽然使用氧化铁(III)作为铁来源已成功地进行相似的反应，但结果却由于可能存在铁的其他氧化态而模糊不清。结果在以下实验#2中描述。
实验#2概要：
使用150mL的氯化铁(III)水溶液(通常用作蚀刻溶液，从RadioShack购得)作为原材料进行实验。10mL的浓度为93％的硫酸被加入所述溶液中，此时不发生反应。随后加入浓度分别约20ppm的约50mL的胶态镁和80mL的胶态铅，此时开始化学反应且在环境温度下明显地产生气泡。当溶液被加热到65℃的温度时，气体的产生加速。产物气体在皂泡中被俘获且气泡随后被点燃。观察到的气体产物的点燃符合氢气和氧气混合物的特点。
因为氢气只能与铁的氧化同时产生，所以明显地，铁(III)在其可被氧化前，必须先被还原，从而为逆反应提供了强有力的证据。此实验随后用盐酸(HCl)代替硫酸来重复，得到相似的结果。
进行两个另外的后续实验(#3使用铝金属，#4使用铁金属)来测定，产生的氢气与只由金属消耗预计的氢气最大产量相比，是否更多。这些结果在下面描述。
实验#3概要：
初始溶液的总体积为250mL，和上述实验#1中一样，包括水、约50mL的胶态镁和80mL的胶态铅(浓度分别约20ppm)、10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl。10克铝金属被加入到所述溶液中，该溶液被加热并维持在90℃。反应进行1.5小时并产生12升的气体。1.5小时结束时发现pH值低于2.0。1.5小时后，通过除去未使用的金属而停止该反应，并称量未使用的金属。未消耗的铝重4.5克，表明消耗了5.5克的铝。如下表所示，净消耗5.5克铝通常预期产生氢气的最大量为6.8升。
表2
通过铝消耗计算出的初始溶液最大H2产量
金属 最初提供的总克数 最终总克数 消耗的克数 H2的最大产量*
铝(Al) 10  4.5  5.5  6.84升
*如果参加反应的铝全部用于产生氢气：
2摩尔Al产生3摩尔H2(67.2升)
2摩尔Al＝54克
所以，如果没有上述的再生反应，预期理论最大收率为每克Al产生1.24升H2。
和实验#1中一样，基于提供酸的总量，预期最初产生的8.06升气体是纯净的氢气，其余为50％的氢气。或者，基于铝消耗量的氢气的理论量为6.84升。6.84升(预期来自铝消耗的最大产量)之余，预期其余气体为66.7％的氢气。所以，我们估计，与基于铝消耗量的预期最大产量6.84升或基于酸提供量的预期最大产量8.06升相比，此实验中产生约10.3升的氢气(存在于总共约12升的气体中)，从而提供了再生过程的另外的证据。
实验四#4概要：
初始溶液的总体积为250mL，和上述实验#1中一样，包括水、约50mL的胶态镁和80mL的胶态铅(浓度分别约为20ppm)、10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl。向被加热并维持在90℃的溶液中加入100克的铁粒(海绵铁)。反应进行30个小时并产生15升气体。30个小时结束时发现pH值约为5.0。30个小时后，通过除去未使用的金属停止该反应，并称量未使用的金属。未消耗的铁重94克，表明消耗了6克铁。如下表所示，如果没有以上描述的再生反应，净消耗6克的铁通常预期的氢气最大产量为2.41升。
表3通过铁消耗计算出的初始溶液最大H2产量
金属 最初提供的总克数 最终总克数 消耗的克数 H2的最大产量*
铁(Fe)   100   94   6   2.41升
*如果参加反应的铁全部用于产生氢气：
1摩尔Fe产生1摩尔H2(22.4升)
1摩尔Fe＝55.85克
所以，如果没有上述的再生反应，预期的理论最大收率为每克Fe产生0.40升的H2。
和实验#1中一样，基于提供酸的总量，预期产生气体的最初8.06升为纯净氢气，其余为66.7％的氢气。但是，基于铁消耗量的氢气的最大理论产量为2.41升。2.41升(由铁消耗预期的最大产量)之余，预期剩下的气体为66.7％的氢气。所以，估计在此实验中使用胶态催化剂产生约10.8升氢气(存在于总共约15升的气体中)，远大于由铁消耗量预期的2.41升的最大量，从而为再生反应提供了额外的证据。
实验#5概要：
使用200mL从实验#4获得的最终溶液进行实验，所述最终溶液含有氧化的铁和催化剂，且pH约为5。如以上反应一样，向所述溶液中加入酸(10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl)，使得pH约为1。未加入额外的胶态材料，只加入20克的铝金属。反应被加热到恒定的96℃。反应进行18个小时，产生32升的气体，此时反应速度显著降低且溶液pH大约为5。
18个小时的实验结束时残留的金属被分离，重量为9克。此金属显示为Al和Fe的混合物。所以，忽略残存在溶液中的铁和铝的量，金属的净消耗为11克，气体的净产生为32升。
如以上说明的，基于加入到所述反应中的酸的量，仅从所述酸与金属的反应预期的氢气的最大量为8.06升。根据质量为9克的回收金属的组成，两种极端的可能是：a)假设回收的金属是100％Al，消耗11克的铝预期获得氢气的最大量为13.75升；和b)或者，假设回收的金属是100％Fe，消耗17克的铝(提供的20克减去产生铁所用的3克)预期获得氢气的最大量为21.25升。为了计算最大氢气产生量，假设没有发生再生过程，且所述Fe金属通过常规的与Al的单一置换反应而生成。
Al和Fe的实际百分比将是在这两种极端之间，所以，仅消耗金属产生的氢气的最大量(无再生)将在13.75升和21.25升之间。与仅由金属消耗所预期的最大量相比较，观察到的32升的气体产生量显示再生过程正在发生。认为H2产生速度的增加是由引入单质铁之前溶液中高浓度的金属离子导致的。所以，从此反应系列获得的溶液不应被丢弃，而应用作后续反应的原料。因此，此生成H2的过程将不会产生大量的需要处理的化学废弃物。
实验#6概要：
使用20mL FeCl3、10mL胶态镁和20mL胶态铅在约90℃的温度进行实验。根据对气体点燃的观察，认为产生了氢气和氧气的混合物。在反应期间，混合物的pH值从约4.5降到约3.5。这些观测结果显示不需要向所述溶液中引入金属铁或酸以产生氢气。因为电化学氧化/还原反应(反应式21-23导致净反应式24)导致产生金属铁和酸，这两种组分可通过这种方式产生。可推测地，这将最终达到与最初提供金属铁和酸的情况相同的稳态。
实验#7概要：
含有10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl的初始溶液与20克的铁粒和20克的铝粒反应。随后加入浓度分别约为20ppm的50mL胶态镁和80mL胶态铅，产生约215mL的总体积。如果仅根据下表4所示的消耗的酸量，那么可产生的氢气的理论最大量为8.06升。
表4通过酸消耗计算出的初始溶液最大H2产量
酸  mL  浓度 总克数 酸的有效克数 最大H2产量
H2SO4  10  93.0％ 18.97  17.64  4.03升
HCl  30  35.0％ 37.52  13.13  4.03升
最大H2产量  8.06升
1摩尔H2SO4产生1摩尔H2(22.4升@STP)
1摩尔H2SO4＝98克
所以，如果没有再生反应，理论最大收率为每克H2SO4产生0.23升H2。
2摩尔的HCl产生1摩尔H2(22.4升@STP)
2摩尔的HCl＝73克
所以，如果没有再生反应，理论最大收率为每克HCl产生0.31升H2。
所述实验设备在图2中图示。酸和金属的混合物被放置在烧瓶202中。热板204用来为所述反应提供热能并维持所述溶液在约71℃的温度。由所述反应产生的气体通过管206流入体积测量装置208。所述体积测量装置208是充满水的倒置的反应容器210并被放置在水浴212中。本实验的主要目的是提供证据证明由本发明的闭环路过程产生的氢气量要比理论最大值8.06升更大。
所述反应的速度最初非常快且瞬时氢气生成速度约每小时20升。大约1小时后，所述速度减慢到每小时产生约8.4升气体的稳态值。可在该过程中加热以加速金属和酸的再生过程。
虽然一些气体由于泄漏和扩散而损耗，但在3小时的时间内，至少25升的气体被收集，且所述反应仍以每小时产生8.4升气体的速度持续地进行。此时，停止实验，收集并干燥残余金属(铝和铁的混合物)，发现残余金属的质量为35.5克。所以，消耗了4.5克的金属。因为没有分析所述残余金属，所以不知道铝和铁是以什么比例反应的；但是酸将金属氧化最多只会产生5.6升的氢气，远低于观测到的量。基于先前的观察和理论推测，产生的最初的8.06升气体可能由基本纯的氢气组成，而在8.06升的理论阈值之外，产生的气体的66.7％(以体积计)是氢气而其余33.3％(以体积计)是氧气。认为，此实验提供了再生过程的充足的证据。
认为同时使用两种金属不会提高气体形成的初始速度，而会产生更长时间段内保持不变的反应速度。为了进一步证实这一点，做了两个另外的实验。
实验#8概要：
含有10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl的初始溶液与20克的铝粒反应。随后加入浓度分别约为20ppm的50mL胶态镁和80mL胶态铅，产生约215mL的总体积。如果仅根据表5所示的酸消耗量，那么可产生的氢气的理论最大量为8.06升。
表5  通过酸消耗计算出的初始溶液最大H2产量
酸 mL 浓度 总克数 酸的有效克数 最大H2产量
H2SO4  10  93.0％ 18.97  17.64  4.03升
HCl  30  35.0％ 37.52  13.13  4.03升
最大H2产量  8.06升
1摩尔H2SO4产生1摩尔H2(22.4升@STP)
1摩尔H2SO4＝98克
所以，如果没有再生反应，理论最大收率为每克H2SO4产生0.23升H2。
2摩尔的HCl产生1摩尔H2(22.4升@STP)
2摩尔的HCl＝73克
所以，如果没有再生反应，理论最大收率为每克HCl产生0.31升H2。
所述实验设备在图2中图示。酸和金属的混合物被放置在烧瓶202中。热板204用来为所述反应提供热能并维持所述溶液在约71℃的温度。由所述反应产生的气体通过管206流入体积测量装置208。所述体积测量装置208是充满水的倒置的反应容器210并被放置在水浴212中。本实验的主要目的是提供证据证明由本发明的闭环路过程产生的氢气量要比理论最大值8.06升更大。
初始反应速度与实验#1相似，其中在稍微不到1小时的时间内产生9升的气体。但是，此时发现所述反应速度下降了约一半。添加20克的铁使反应速度立刻增加到最初在该实验开始时观察到的值。
实验#9概要：
含有10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl的初始溶液与40克的铝粒反应。随后加入浓度分别约20ppm的50mL胶态镁和80mL胶态铅，产生约215mL的总体积。如果仅根据表6所示的酸消耗量，那么可产生的氢气的理论最大量为8.06升。
表6通过酸消耗计算出的初始溶液最大H2产量
酸 mL 浓度 总克数 酸的有效克数 最大H2产量
H2SO4  10  93.0％ 18.97  17.64  4.03升
HCl  30  35.0％ 37.52  13.13  4.03升
最大H2产量  8.06升
1摩尔H2SO4产生1摩尔H2(22.4升@STP)
1摩尔H2SO4＝98克
所以，如果没有再生反应，预期的理论最大收率为每克H2SO4产生0.23升H2。
2摩尔的HCl产生1摩尔H2(22.4升@STP)
2摩尔的HCl＝73克
所以，如果没有再生反应，预期的理论最大收率为每克HCl产生0.31升H2。
所述实验设备在图2中图示。酸和金属的混合物被放置在烧瓶202中。热板204用来为所述反应提供热能并维持所述溶液在约71℃的温度。由所述反应产生的气体通过管206流入体积测量装置208。所述体积测量装置208是充满水的倒置的反应容器210并被放置在水浴212中。本实验的主要目的是提供证据证明由本发明的闭环路过程产生的氢气量要比理论最大值8.06升更大。
初始反应速度与实验#1相似，其中在稍微不到1小时的时间内产生9升的气体。但是，此时发现所述反应速度减少了约一半。添加20克的铁使反应速度立刻增加到该实验开始时观察到的值。
明显地，在两种金属间发生了相互作用，该相互作用使反应在相当长的时间段内维持高的气体产生速度。
实验#10
含有10mL浓度为93％的H2SO4和30mL浓度为35％的HCl的初始溶液与20克的铁粒，和20克的铝粒反应。随后加入浓度分别约20ppm的25mL胶态镁和40mL胶态铅，产生约110mL的总体积。如果仅根据表7所示的酸消耗量计算，那么可产生的氢气的理论最大量为8.06升。
表7  通过酸消耗计算出的初始溶液最大H2产量
酸 mL 浓度 总克数 酸的有效克数 最大H2产量
H2SO4  10  93.0％ 18.97  17.64  4.03升
HCl  30  35.0％ 37.52  13.13  4.03升
最大H2产量  8.06升
1摩尔H2SO4产生1摩尔H2(22.4升@STP)
1摩尔H2SO4＝98克
所以，如果没有再生反应，预期的理论最大收率为每克H2SO4产生0.23升H2。
2摩尔的HCl产生1摩尔H2(22.4升@STP)
2摩尔的HCl＝73克
所以，如果没有再生反应，预期的理论最大收率为每克HCl产生0.31升H2。
所述实验设备在图2中图示。酸和金属的混合物被放置在烧瓶202中。热板204用来为所述反应提供热能并维持所述溶液在约90℃的温度。由所述反应产生的气体通过管206流入体积测量装置208。所述体积测量装置208是充满水的倒置的反应容器210并被放置在水浴212中。本实验的主要目的是提供证据证明由本发明的闭环过程产生的氢气量要比理论最大值8.06升更大。
所述反应的速度最初非常快且瞬时氢气生成速度约每小时20升。大约1小时后，所述速度减慢到每小时产生约6.0升气体的稳态值。可在该过程中加热以进一步加速金属和酸的再生过程。
虽然一些气体由于泄漏和扩散而损耗，但在5小时的时间内，至少32升的气体被收集，且所述反应仍以每小时产生6.0升气体的速度持续进行。此时，停止实验，收集并干燥残余金属(铝和铁的混合物)，发现残余金属的质量约为40克。所以，只消耗了可忽略量的金属。因为没有分析所述残余金属，所以不知道铝和铁是以什么比例存在的；但是，可以假设每种金属存在于剩余的金属样品中的量大约为20克。基于先前的观察和理论推测，产生的最初的8.06升气体可能由基本纯的氢气组成，而在8.06升的理论阈值之外，产生的气体的66.7％(以体积计)是氢气而其余33.3％(以体积计)是氧气。认为此实验提供了进一步的证据证明，在所述反应容器中使用较小体积，会产生更有效的再生过程。
以上实验都在环境照明条件下进行，包括人工光源和自然光源的混合。当所描述反应在减弱的照明条件下进行，该反应的速度降低。但是，还没有在减弱的照明下进行单独的正式的测试。
认为以上描述的实验结果证实了此处描述的发明的潜在价值。计算是基于以上描述的反应机制做出的，且被认为是精确地表征了这些实验涉及的反应。但是，如果发现反应的理论或者基于反应理论的计算是错误的，此处描述的本发明仍然是有效的且是有价值的。
以上说明和描述的实施方案是示范性的。许多细节通常在本领域都能发现，所以，许多这样的细节都没有说明或描述。并没有声称所描述和说明的所有细节、部分、元素或步骤都是此处的发明。即使本发明的许多特点和优点已在附图和随附的文本中描述过，但该描述只是例证性的，可在所附权利要求项的广泛意义范围内，不脱离本发明的原理，对本发明的细节，特别是组成部分的形状、尺寸和排列进行改变。
以上限制性描述和特定实施例的附图并未指出什么将是本专利的侵权行为，而是提供了如何使用和制造本发明的至少一种解释。本发明的界限和本专利保护的范围由以下的权利要求衡量和界定。

Claims (58)

1.一种产生氢气的装置，所述装置包括：
pH小于7的反应介质；
第一种金属，所述第一种金属是悬浮在所述反应介质中的胶态金属；和
第二种金属，所述第二种金属与所述反应介质接触。
2.权利要求1的装置，其中所述第二种金属是固体、非胶态形式。
3.权利要求1的装置，其中所述第一种金属的反应性比所述第二种金属低。
4.权利要求1的装置，其中所述第一种金属的反应性比所述第二种金属高。
5.权利要求1的装置，所述装置进一步包括与所述反应介质接触的第三种金属。
6.权利要求5的装置，其中所述第三种金属是胶态形式。
7.权利要求6的装置，其中所述第三种金属的反应性比所述第二种金属高。
8.权利要求1的装置，所述装置进一步包括容纳所述反应介质的反应容器，其中所述反应容器对所述反应介质是惰性的。
9.权利要求8的装置，其中所述反应容器被用以维持高于大气压的内部压力。
10.权利要求1的装置，其中所述第一种金属是银、金、铂、锡、铅、铜、锌、铁、铝、镁、铍、镍或镉。
11.权利要求1的装置，其中所述第二种金属是铁、铝、镁、铍、锡、铅、镍或铜。
12.权利要求6的装置，其中所述第三种金属是铝、镁、铍或锂。
13.权利要求1的装置，其中所述反应介质含有过氧化氢。
14.权利要求1的装置，其中所述反应介质含有甲酸。
15.权利要求1的装置，所述装置进一步包括与所述反应介质接触的单质非金属。
16.权利要求1的装置，所述装置进一步包括能源。
17.权利要求16的装置，其中所述能源为加热器。
18.权利要求16的装置，其中所述能源为光源。
19.权利要求16的装置，其中所述能源为施加于所述反应介质的电势。
20.权利要求1的装置，所述装置进一步包括阳极和阴极，其中所述阳极和阴极与所述反应介质接触，且其中电势施加于所述阳极和阴极之间。
21.权利要求1的装置，所述装置进一步包括第三种金属和第四种金属，其中第二种、第三种或第四种金属中至少一种为胶态形式。
22.一种产生氢气的方法，所述方法包括以下步骤：
在pH小于7的反应介质中悬浮第一种金属，所述第一种金属为胶态金属；和
提供与所述反应介质接触的第二种金属。
23.权利要求22的方法，所述方法进一步包括提供与所述反应介质接触的第三种金属的步骤。
24.权利要求23的方法，其中所述第三种金属是悬浮在反应介质中的胶态金属。
25.权利要求22的方法，其中所述反应介质在反应容器中，所述反应容器对所述反应介质是惰性的。
26.权利要求22的方法，所述方法进一步包括提供与所述反应介质接触的单质非金属的步骤。
27.权利要求22的方法，所述方法进一步包括为所述反应介质提供能量的步骤。
28.权利要求22的方法，所述方法进一步包括提供与所述反应介质接触的阴极和阳极，并在所述阳极和阴极之间提供电势的步骤。
29.权利要求22的方法，所述方法进一步包括提供与所述反应介质接触的第三种金属和第四种金属的步骤，其中所述第二种、第三种或第四种金属中的至少一种是胶态形式。
30.权利要求22的方法，所述方法进一步包括产生氧气的步骤。
31.权利要求22的方法，所述方法进一步包括所述第二种金属的氧化和还原。
32.一种产生氢气的装置，所述装置包括：
含有酸的反应介质；
悬浮在所述反应介质中的第一种胶态金属；和
第二种金属，所述第二种金属与所述反应介质接触。
33.权利要求32的装置，其中所述酸为硫酸、盐酸、氢溴酸、硝酸、氢碘酸、高氯酸或氯酸。
34.权利要求32的装置，所述装置进一步包括与所述反应介质接触的第三种金属。
35.权利要求34的装置，其中所述第三种金属是悬浮在所述溶液中的胶态金属。
36.一种产生氢气的装置，所述装置包括：
pH小于7的反应介质；
与所述反应介质接触的第一种金属，所述第一种金属的表面积至少为每立方米第一种金属298,000,000m2；和
与所述反应介质接触的第二种金属。
37.权利要求32的装置，所述装置进一步包括与所述反应介质接触的第三种金属。
38.权利要求37的装置，其中所述第三种金属的表面积至少为每立方米第三种金属298,000,000m2。
39.权利要求38的装置，所述装置进一步包括第四种金属。
40.一种产生氢气的装置，所述装置包括：
pH小于7的反应介质，所述反应介质含有第一种金属的阳离子；和
悬浮在所述反应介质中的第一种胶态金属。
41.权利要求40的装置，所述装置进一步包括悬浮在所述反应介质中的第二种胶态金属。
42.权利要求40的装置，其中所述反应介质进一步含有第二种金属的阳离子。
43.一种产生氢气的装置，所述装置包括：
pH小于7的反应介质；
悬浮在所述反应介质中的第一种胶态金属；和
离子金属。
44.权利要求43的装置，所述装置进一步包括悬浮在所述反应介质中的第二种胶态金属。
45.权利要求43的装置，所述装置进一步包括与所述反应介质接触的固体金属。
46.权利要求43的装置，所述装置进一步包括第二种离子金属。
47.一种产生氢气的方法，所述方法包括以下步骤：
在pH小于7的反应介质中悬浮胶态金属；以及
向所述反应介质中引入离子金属。
48.权利要求47的方法，所述方法进一步包括还原所述离子金属以产生固体金属的步骤。
49.一种产生氢气的混合物，所述混合物包括：
反应介质；
悬浮在所述反应介质中的第一种胶态金属；和
溶解在所述反应介质中的盐。
50.权利要求49的混合物，所述混合物进一步包括与所述反应介质接触的第二种金属。
51.一种产生氢气的方法，所述方法包括以下步骤：
在反应介质中悬浮第一种胶态金属；和
在所述反应介质中溶解盐。
52.权利要求49的方法，所述方法进一步包括提供与所述反应介质接触的第二种金属的步骤。
53.一种产生氢气的装置，所述装置包括：
用于维持高于大气压的内部压力的反应容器；
在所述反应容器中的酸性溶液；
至少两种固体形式的与所述酸性溶液接触的金属；
至少两种悬浮在所述酸性溶液中的胶态金属，其中一种胶态金属的反应性比所述固体金属更高，而另一种胶态金属的反应性比所述固体金属更低；
与所述酸性溶液接触的单质非金属；和
用于为所述酸性溶液提供热能的加热器。
54.一种产生氢气的混合物，所述混合物包括：
pH小于7的反应介质；
悬浮在所述反应介质中的第一种胶态金属；和
第二种金属，所述第二种金属与所述反应介质接触。
55.权利要求54的混合物，所述混合物进一步包括与所述反应介质接触的第三种金属。
56.权利要求55的混合物，其中所述第三种金属是胶态形式。
57.权利要求54的混合物，所述混合物进一步包括与所述反应介质接触的单质非金属。
58.权利要求54的混合物，所述混合物进一步包括第三种金属和第四种金属，其中所述第二种、第三种或第四种金属中的至少一种为胶态形式。
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