CN104016301B - 电场诱导制备氢气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场诱导制备氢气的方法。该方法以水为基础原料，以电场诱导反应器为反应设备，利用电场诱导作用，使水解离生成氢自由基和羟基自由基，继而，氢自由基结合生成氢气；以过渡金属离子为催化剂，使羟基自由基转化为水和氧气。该方法能显著提高氢自由基的生产效率和速率，能耗小，能够产生更多数量的氢气。
Description
技术领域
本发明涉及电化学及人工光合作用领域，具体来说涉及一种电场诱导制备氢气的方法。
背景技术
随着社会发展，人类对能源的需求量不断增大，石油产品和煤炭燃料的消耗逐年增大。石油、天然气和煤炭的大量燃烧，导致大气中CO2的浓度逐年升高。CO2浓度增加导致地球温室效应，每100年，最高温度上升0.82℃，最低气温平均上升1.79℃，平均气温上升0.79℃。地球气化变暖，导致南北极冰山融化，海水水位上升，引发飓风、强暴雨和海啸等自然灾害，增大霍乱，痢疾等细菌疾病的发生。地球温室效应已经严重威胁到人类的生存和发展，如何减少CO2排放，降低大气中的CO2浓度成为科学研究的热点。
燃烧氢气不产生CO2，被认为是一种最清洁的燃料。当前在世界范围内，科学工作者从不同的角度，采用多种方法制备燃料氢气，寻找能耗小、成本低和不造成周边环境污染的方法。当前燃料氢气的制备方法主要有：电解法、水与焦炭反应、有机质气化法和光催化水分解法。电解法是最简单的氢气制备方法，当前社会上消耗的燃料氢气主要来源于电解食盐获得的副产品氢气。水与焦炭反应制备氢气，是一种成熟的工业技术，主要应用在化肥生产行业。有机质气化法制备氢气，如黑液气化制备燃料氢气，正在接近工业化应用。光催化水分解法，是以太阳能为基础能源，在光敏催化剂的作用下，使水分子发生分解，生成氢气和氧气，是被认为最具有发展潜力燃料氢气制备方法。
电解法和水与焦炭反应法制备氢气，都存在电能消耗大，生产成本高的缺点。有机裂解法制备燃料氢气，需要消耗大量有机质，有可能消耗大量的森林资源。光催化水分解法制备燃料氢气，存在的最大问题是催化剂的失活问题。由于没有解决光催化剂的稳定性和持久性，当前该法的生产效率尚低，生产成本也较高。为寻找一种电能消耗小，生产成本低，及对环境友好的燃料氢气生产方法，本发明创造一种电场诱导制备燃料氢气的方法。
发明内容
本发明的目的是针对光伏人工光合作用的特点及上述制备氢气的方法存在的问题，提供一种电场诱导制备氢气的方法，该方法能显著提高氢气的生产效率和速率，大幅提高光伏人工光合作用的效率。
本发明的技术方案为：
一种电场诱导制备氢气的方法，该方法是：以水为基础原料，以电场诱导反应器为反应设备，利用电场诱导作用，使水解离生成氢自由基和羟基自由基，继而，氢自由基结合生成氢气；以过渡金属离子为催化剂，使羟基自由基转化为水和氧气，从而降低氢自由基和羟基自由基的复合速率，提高氢气的生产效率和速率。
以上所述的电场诱导制备氢气的方法，包括以下化学反应：
1.电场诱导使水解离，生成氢自由基和羟基自由基，化学反应方程式为：
H2O→·H+·OH；
2.在过渡金属离子催化剂的作用下，羟基自由基转化为水和氧气，化学反应方程式为：
4·OH→2H2O+O2；
3.氢自由基结合生成氢气，化学反应方程式为：
2·H→H2。
以上所述的电场诱导制备氢气的方法，所述的电场诱导反应器包括阳极室和阴极室，所述阳极室内安装有阳极板，阴极室内安装有阴极板，阳极室和阴极室之间用隔离膜隔离。
所述过渡金属离子优选为钛、镍、铁或铬离子。
所述的阳极板优选为金属钛电极、石墨电极或金属氧化物电极，所述金属氧化物电极优选为氧化钌电极或氧化铊电极等。
所述的阴极板优选为金属镍电极、镍铬合金电极或镍铁铬合金电极。
所述的隔膜优选为微滤膜、纳滤膜或阳离子交换膜等，最佳优选为阳离子交换膜。
所述的电场诱导反应器的电源可采用包括太阳能、风能、水力、火力或核能等发电产生的电能。优选以太阳光为基础能源，以光伏发电系统为电能生产设备，经过光伏效应使太阳能转化为所述电场诱导反应器的的电能。
所述的电场诱导反应器的电源工作电压为直流电压1.0-12.0V。
电场诱导制备氢气的原理是：
在水分子中，氢原子S轨道和氧原子P轨道叠合成键，成键轨道的电子云分为靠近氢原子核的S轨道未重叠区、SP轨道重叠区和靠近氧原子核的P轨道未重叠区。氢原子上的电子能够出现在S轨道未重叠区和SP轨道重叠区，氧原子的成键电子也能够出现在SP轨道重叠区和P轨道未重叠区。当氢原子上的电子出现在S轨道未重叠区，同时氧原子的成键电子出现在P轨道未重叠区时，成键轨道SP重叠区没有电子，成键暂时断开，水分子暂时分离成氢自由基和羟基自由基。这种暂时生成的氢自由基和羟基自由基之间的距离很短，很快又复合为水分子。在生成到复合期间，大多数的这些自由基没有脱离出水分子的空间范围，不与水分子空间范围以外的物质发生作用；只有很少量的这些自由基脱离出水分子的空间范围，成为真正意义的自由基。
在电场中，电场力作用使水分子中的H-O键的键长拉长，两个H-O键之间的键角缩小。键长拉长，削弱H-O键的键能，使其更容易断裂；键角缩小，增加键的扭曲程度，增大了水分子内能(弹性势能)，使水分子的稳定性能下降，活泼性能上升，更容易解离成自由基。因此，提高氢自由基的产率和速率。
在电场中，电场力作用限制了具有一定偶极性的羟基自由基的自由旋转，降低羟基自由基的空间移动的速率，导致羟基自由基和氢自由基相互碰撞的速率大幅度下降，降低氢自由基和羟基自由基的复合速率。因此，提高氢自由基的产率和速率，提高氢气的产率和速率。
以电场诱导制备氢气具有以下优点：
1.与电解法相比较，在相同电耗条件下，能够产生更多数量的氢气。采用电解法制备氢气时，需要从阴极板上获得2个电子，才能转变成一个分子的氢气；采用电场诱导制备氢气时，只需要静电场的电场力的作用，不需要经过电子转移，所以需要的电能消耗很小，根据实验数据，每消耗一个电子能够产生15-50个氢自由基，每生成5-20个分子的氢气。
2.与水和焦炭反应法相比较，电场诱导制备燃料氢气能在室温和常压条件进行，避免高温、高压反应条件，避免压缩制氧工序，因此避免了大量的电能消耗。
3.与有机质气化法相比较，电场诱导制备氢气能避免消耗大量的森林资源。
4.光催化水分解法相比较，电场诱导制备氢气能够避免了大量的光催化剂的消耗。
5.水和太阳光能都属于可再生资源，利用水和太阳光能制备氢气可持续发展，其生产成本较低，对周边环境友好。
附图说明
图1是本发明电场诱导反应器的结构示意图。
图中设备名称及序号：
1.阳极室；2.阳极板；3.隔膜；4.阴极室；5.阴极板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做详细说明。
实施例1
组装电场诱导反应器，如图1所示：所述阳极室1内安装有阳极板2，阴极室4内安装有阴极板5，阳极室1和阴极室4之间用隔膜3隔离。阳极板2为钛金属电极，阴极板5为镍铁铬合金电极，隔膜3为阳离子交换膜。向阴极室4加水，加入硝酸镍作为催化剂，密闭阴极室4，以收集反应生成的氢气，将阳极室1插入阴极室4中，并将适量的水溶液注入阳极室1。通过导线直流电源器，检查电路后，选用输出电压为5.0V，控制电流密度使之小于10mA/cm2)，当阴极面积为12.5cm2，总电流约为0.03mA时，在常温常压条件下连续反应5天后，得到氢气6.8mmol。
实施例2
组装电场诱导反应器，如图1所示：所述阳极室1内安装有阳极板2，阴极室4内安装有阴极板5，阳极室1和阴极室4之间用隔膜3隔离。阳极板2为石墨电极，阴极板5为镍电极，所述隔膜3为纳滤膜。向阴极室4加水，加入硝酸铁作为催化剂，密闭阴极室4，以收集反应生成的氢气，将阳极室1插入阴极室4中，并将适量的水溶液注入阳极室1。通过导线直流电源器，检查电路后，选用输出电压为1.0V，控制电流密度使之小于10mA/cm2)，当阴极面积为12.5cm2，总电流约为0.04mA时，在连续反应5天后，得到氢气3.2mmol。
实施例3
组装电场诱导反应器，如图1所示：所述阳极室1内安装有阳极板2，阴极室4内安装有阴极板5，阳极室1和阴极室4之间用隔膜3隔离。阳极板2为氧化钌电极，阴极板5为镍铬合金电极，隔膜3为微滤膜。向阴极室4加水，加入硝酸铬为催化剂，密闭阴极室4，以收集反应生成的氢气，将阳极室1插入阴极室4中，并将适量的水溶液注入阳极室1。通过导线直流电源器，检查电路后，选用输出电压为8.0V，控制电流密度使之小于10mA/cm2)，当阴极面积为12.5cm2，总电流约为0.12mA时，在常温常压条件下连续反应5天后，得到氢气7.3mmol。
实施例4
组装电场诱导反应器，如图1所示：所述阳极室1内安装有阳极板2，阴极室4内安装有阴极板5，阳极室1和阴极室4之间用隔膜3隔离。阳极板2为氧化铊电极，阴极板5为镍电极，隔膜3为阳离子交换膜。向阴极室4加水，加入硫酸钛为催化剂，密闭阴极室4，以收集反应生成的氢气，将阳极室1插入阴极室4中，并将适量的水溶液注入阳极室1。通过导线直流电源器，检查电路后，选用输出电压为12.0V，控制电流密度使之小于10mA/cm2)，当阴极面积为12.5cm2，总电流约为0.31mA时，连续反应5天后，得到氢气9.3mmol。
Claims (8)
1.一种电场诱导制备氢气的方法，其特征是：以水为基础原料，以电场诱导反应器为反应设备，利用电场诱导作用，使水解离生成氢自由基和羟基自由基，继而，氢自由基结合生成氢气；以过渡金属离子为催化剂，使羟基自由基转化为水和氧气；
所述的电场诱导反应器包括阳极室（1）和阴极室（4），所述阳极室（1）内安装有阳极板（2），阴极室（4）内安装有阴极板（5），阳极室（1）和阴极室（4）之间用隔膜（3）隔离；
所述电场诱导反应包括以下化学反应：
（1）电场诱导使水解离，生成氢自由基和羟基自由基，化学反应方程式为：
H2O→·H+·OH；
（2）在过渡金属离子催化剂的作用下，羟基自由基转化为水和氧气，化学反应方程式为：
4·OH→2H2O+O2；
（3）氢自由基结合生成氢气，化学反应方程式为：
2·H→H2。
2.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述过渡金属离子为钛、镍、铁或铬离子。
3.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述的阳极板为金属钛电极、石墨电极或金属氧化物电极。
4.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述的阴极板为金属镍电极、镍铬合金电极或镍铁铬合金电极。
5.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述的隔膜为微滤膜、纳滤膜或阳离子交换膜。
6.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述的电场诱导反应器的电源采用包括太阳能、风能、水力、火力或核能发电产生的电能。
7.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述的电场诱导反应器的电源工作电压为直流电压1.0-12.0V。
8.根据权利要求1所述电场诱导制备氢气的方法，其特征是：所述的电场诱导反应器的电源以太阳光为基础能源，以光伏发电系统为电能生产设备，经过光伏效应使太阳能转化为所述电场诱导反应器的电能。
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- 2014-06-16 CN CN201410267625.4A patent/CN104016301B/zh not_active Expired - Fee Related
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