CN104649225B - 一种便携式全固体制氢材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制氢材料领域，尤其是涉及一种便携式全固体制氢材料及其制备方法与应用。所述全固体制氢材料，包括与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质，其中按摩尔比计算，与水反应放出氢气的固体物质：含水的固体物质＝1～12:1～3。本发明首次利用含水固体提供水解所需的水，在放氢温度之下将两种固体充分混合，使产氢物质和水分子接触更为均匀，从而大大降低了水解的实际用水量，提高了单位质量材料的产氢量。同时，本发明的制氢材料为全固态，无需额外加水，制氢过程可以通过温度控制，携带和操作更为便捷，使氢燃料电池的氢源更加紧凑和小型化。

Description

一种便携式全固体制氢材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于制氢材料领域，尤其是涉及一种便携式全固体制氢材料及其制备方法与应用。
背景技术
氢气作为一种新型能源，其发展受到了大家极大的关注，尤其是氢气在燃料电池方面的应用，更是给大家的生活带来了很大的方便。
现有技术中制备氢气的方法有很多，常用的是水解法、光催化法、活泼金属或者其化合物与液态水反应等。如申请号为201110116872.0的中国专利，申请号为201310316276.6的中国专利、申请号为201310453486.X的中国专利，都采用了光催化法来制备氢气；申请号为201110273730.5的中国专利、申请号为201310717778.X的中国专利、申请号为201210160229.2的中国专利，都采用的是水解法制备氢气；申请号为201010123004.0的中国专利、申请号为201110210825.2的中国专利、申请号为201210563325.1的中国专利，采用了铝和其他物质复合后与液态水发生反应来制氢。
其中，水解法制备氢气所用的水为液态水，在利用液态水进行水解制氢时，需要让水充分浸润产氢固体，因此实际使用的水量远高于制氢反应所消耗的水量，大大降低了单位质量材料的产氢量；同时需在产氢时将液体水与产氢物质混合，操作不便。
现有技术中没有公开制备氢气采用的原料全部都为固体原料的技术，同时单位质量材料的产氢量较低，制氢操作麻烦，并且不论采用何种方法制备的氢又带来了携带、储存、运输方面的不便，更做不到现用现制。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种全固体制氢材料，所需的原料均为固体。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
一种便携式全固体制氢材料，包括与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质，其中按摩尔比计算，与水反应放出氢气的固体物质：含水的固体物质＝1～12:1～3；
其中，所述与水反应放出氢气的固体物质包括活泼金属、金属氢化物、硼氢化物和铝氢化物、氨硼烷及其衍生物中的任意一种或者几种的混合物。
优选的，所述活泼金属为镁Mg、铝Al、钙Ca、锂Li、钠Na、钾K。
优选的，所述金属氢化物为氢化镁MgH2、氢化锂LiH、氢化钙CaH2、氢化钠NaH、氢化钾KH、氢化铝AlH3。
优选的，所述硼氢化物和铝氢化物为硼氢化钠NaBH4、硼氢化锂LiBH4、硼氢化钾KBH4、硼氢化镁Mg(BH4)2、硼氢化钙Ca(BH4)2、铝氢化钠NaAlH4、铝氢化钾KAlH4、铝氢化钙Ca(AlH4)2、铝氢化锂LiAlH4。
优选的，所述氨硼烷及其衍生物为氨硼烷NH3BH3、锂氨硼烷LiNH2BH3、钠氨硼烷NaNH2BH3、钙氨硼烷Ca(NH2BH3)2、钾氨硼烷KNH2BH3、甲基氨硼烷CH3NH2BH3。
进一步的，所述含水的固体物质包括水合的无机酸盐和有机酸盐、水合的有机酸、水凝胶中任意一种或者几种的混合物。
优选的，所述水合的无机酸盐和有机酸盐为六水合氯化镁MgCl2·6H2O、六水合氯化铝AlCl3·6H2O、六水合氯化钙CaCl2·6H2O、六水合氯化镍NiCl2-·6H2O、十二水合硫酸钾铝KAl(SO4)2·12H2O、十二水合磷酸氢二钠Na2HPO4·12H2O、十水合硼酸钠Na2B4O7·10H2O、十水合焦磷酸钠Na4P-2O7·10H2O、三水合醋酸钠CH3COONa·3H2O。
优选的，所述水合的有机酸为二水合草酸H2C2O4·2H2O、三水合柠檬酸C6H8O7·3H2O。
优选的，所述水凝胶为聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素、聚乙二醇。
其中，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的确定方法如下：
设R＝α·n2/n1
其中：
R为与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质的摩尔比例，n1为1mol与水反应放出氢气的固体物质完全水解放出的氢原子摩尔数，n2为1mol含水的固体物质所含的水的摩尔数与酸质子摩尔数之和，α为比例因子，1.0≤α≤2.0。
如与水反应放出氢气的固体物质是N1种成分构成的混合物体系，混合物n1按照下列方法确定：
n 1 = Σ i N 1 n ( i ) n 1 ( i ) Σ i N 1 n ( i )
其中i为混合物中成分的编号，n(i)为混合物中第i种成分的摩尔数，n1(i)为1mol纯的成分i完全水解放出的氢原子摩尔数。
如含水的固体物质是N2种成分构成的混合物体系，混合物的n2按照下列方法确定：
n 2 = Σ j N 2 n ( j ) n 2 ( j ) Σ j N 2 n ( j )
其中j为混合物中成分的编号，n(j)为混合物中第j种成分的摩尔数，n2(j)为1mol纯的成分j所含的水的摩尔数与酸质子摩尔数之和。
如上所述的便携式全固体制氢材料，其制备方法如下：
(1)称取所需与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质；
(2)将与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质研磨成粉末；
(3)将得到的粉末混合，混合方式包括：研磨、球磨、振荡、搅拌、溶剂辅助搅拌；其中混合过程中为了让混合更加均匀，还可以加入与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质都不反应的溶剂，例如二氯甲烷、乙醚、环己烷。
(4)将混合后的粉末加压成型。
所述的便携式全固体制氢材料在燃料电池方面的应用。
本发明的制氢原理如下：在室温下，与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质不反应，升高温度至40-150℃时含水的固体物质开始失水，脱出的水与与水反应放出氢气的固体物质发生水解反应放出氢气。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明首次利用含水固体提供水解所需的水，在放氢温度之下将两种固体充分混合，使产氢物质和水分子接触更为均匀，从而大大降低了水解的实际用水量，提高了单位质量材料的产氢量。同时，本发明的制氢材料为全固态，无需额外加水，产氢过程可以通过温度控制，携带和操作更为便捷，使氢燃料电池的氢源更加紧凑和小型化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
实施例一
将1g Al与8.5g Na2B4O7·10H2O(摩尔比为5:3)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，并加入二氯甲烷，超声振荡制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至55℃，并用排水集气法收集产生的氢气，25min内可以放出1.2L氢气,为理论产氢量的98％。
实施例二
将1g Mg与3.4g AlCl3·6H2O(摩尔比为3:1)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，在氢气气氛下球磨制得复合材料。将复合材料加热至150℃，并用排水集气法收集产生的氢气，10min内产生0.78L(0.066L/g)氢气，相当于理论产氢量的84％。
同理，钙Ca、锂Li、钠Na、钾K也可以作为与水反应放出氢气的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
实施例三
将1g CaH2与2.2g Na4P2O7·10H2O(摩尔比5:1)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，并加入环己烷辅助搅拌均匀，除去溶剂后制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至40℃，并用排水集气法收集产生的氢气，30min内产生0.922L氢气，为理论产氢量的88％。
实施例四
将1g LiH与6.5g KAl(SO4)2·12H2O(摩尔比为12:1.3)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，并加入二氯甲烷，超声振荡制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至80℃，并用排水集气法收集产生的氢气，45min内可以放出0.23L氢气,为理论产氢量的92％。
同理，六水合氯化钙CaCl2·6H2O、六水合氯化镍NiCl2·6H2O、三水合醋酸钠CH3COONa·3H2O也可以作为含水的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
实施例五
将1g CaH2与2.8g MgCl2·6H2O(摩尔比为3:1.74)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，并加入环己烷辅助搅拌均匀，除去溶剂后制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至150℃，并用排水集气法收集产生的氢气，5min内产生0.284L(0.109L/g)氢气。这一材料的理论放氢量为1.052L(0.403L/g)，即是说5min内可以放出理论产氢量的27％。
同理，氢化钠NaH、氢化钾KH、氢化铝AlH3也可以作为与水反应放出氢气的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
实施例六
取1g聚丙烯酸钠，吸五倍量的水(含水量83％)得到水凝胶。将1g MgH2与1.668g水凝胶(摩尔比为1:2)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至90℃，并用排水集气法收集产生的氢气，30min内可以放出1.6L氢气，为理论产氢量的92％。
同理，羧甲基纤维素、聚乙二醇也可以作为含水的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
实施例七
将CaH2与NaBH4按质量比1:1混合，取1g上述混合物，与6.8g MgCl-2·6H2O(摩尔比为1:1.3)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，手动研磨10min，在10MPa压力下压制成片状。将复合材料加热至120℃，并用排水集气法收集产生的氢气，20min内产生3.0L氢气，为理论产氢量的88％。
实施例八
将1g NH3BH3与3.0g MgCl2·6H2O(摩尔比为3:1.37)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，并加入环己烷辅助搅拌均匀，除去溶剂后制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至130℃，并用排水集气法收集产生的氢气，15min内产生1.8L(0.458L/g)氢气，相当于理论产氢量的82％。
实施例九
将1g NaBH4与3.333g H2C2O4·2H2O(摩尔比为1:1)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，并加入乙醚，超声振荡、压片制得复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至70℃，并用排水集气法收集产生的氢气，35min内可以放出2.2L氢气,为理论产氢量的90％。
同理，三水合柠檬酸C6H8O7·3H2O也可以作为含水的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
实施例十
将1g NaAlH4与6.3g Na2HPO4·12H2O(摩尔比为3:2)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者放入研钵中研磨混合均匀，得到复合材料。将复合材料放入烧瓶中，加热至50℃，并用排水集气法收集产生的氢气，60min产生2.4L氢气，为理论产氢量的100％。
同理，硼氢化锂LiBH4、硼氢化钾KBH4、硼氢化镁Mg(BH4)2、硼氢化钙Ca(BH4)2，铝氢化钾KAlH4、铝氢化钙Ca(AlH4)2、铝氢化锂LiAlH4也可以作为与水反应放出氢气的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
实施例十一
将1g LiNH2BH3与2.0g MgCl2·6H2O(摩尔比为3:1.1)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者混合均匀，在氢气气氛下球磨制得复合材料。将复合材料加热至120℃，并用排水集气法收集产生的氢气，20min内产生0.951L氢气，为理论产氢量的80％。
实施例十二
将H2C2O4·2H2O与KAl(SO4)2·12H2O按质量比3:1混合，取上述混合物6.0g，与1gMgH2(摩尔比为1:1.3)分别加入研钵中研磨成均匀的粉末，然后将两者手动研磨混合均匀，将复合材料加热至80℃，并用排水集气法收集产生的氢气，20min内产生1.5L氢气，为理论产氢量的87％。
同理，钠氨硼烷NaNH2BH3、钙氨硼烷Ca(NH2BH3)2、钾氨硼烷KNH2BH3、甲基氨硼烷CH3NH2BH3也可以作为与水反应放出氢气的固体物质，与水反应放出氢气的固体物质、含水的固体物质摩尔比例的方法按照发明内容中所述的方法确定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种便携式全固体制氢材料，其特征在于，包括与水反应放出氢气
的固体物质和含水的固体物质，其中所述与水反应放出氢气的固体物质为硼氢化钠，所述含水的固体物质为二水合草酸，所述硼氢化钠与二水合草酸的摩尔比为1:1。
2.如权利要求1所述的便携式全固体制氢材料的制备方法，其特征在于，其制备方法如下：
（1）称取所需与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质；
（2）将与水反应放出氢气的固体物质和含水的固体物质研磨成粉末；
（3）将得到的粉末混合，混合方式包括：研磨、球磨、振荡、搅拌、溶剂辅助搅拌；
（4）将混合后的粉末加压成型。
3.用权利要求1 所述的便携式全固体制氢材料制备氢气的方法，其特征在于，包括如下步骤：将得到的全固体制氢材料放入烧瓶中，加热至70℃，并用排水集气法收集产生的氢气。
4.如权利要求1 所述的便携式全固体制氢材料在燃料电池方面的应用。
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