CN106672900A - 一种利用纳米铝粉与水直接反应制取氢气的方法 - Google Patents

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梅青松
杨向阳
郭宜东
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
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    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents with metals
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Abstract

本发明公开了一种利用铝粉与水直接反应制备氢气的方法，属于清洁能源领域。包括：步骤1，称取一定质量比的纳米铝粉和水；步骤2，将称量好的纳米铝粉和水混合均匀；步骤3，将混合好的纳米铝粉和水进行水浴加热。本发明工艺设备简单易行，氢气产生效率高，可根据需求随时随地制取氢气，并可将制取氢气直接进行利用，减少了氢气储存和运输过程中的诸多问题。

Description

一种利用纳米铝粉与水直接反应制取氢气的方法
技术领域
本发明属于清洁能源领域，具体涉及一种利用纳米铝粉和水直接反应制取氢气的方法。
背景技术
随着石油天然气等不可再生能源的日益枯竭，发展利用新型能源成为了重要的研究方向。在众多新型能源中，氢燃料由于其无污染、效率高 、可循环利用而备受关注。
目前世界上主要的制氢手段有：矿物燃料制氢，利用煤或天然气与水蒸气反应制取氢气，虽然此方法有了成熟的工艺和装置，但由于煤和天然气的储备有限，且在制氢过程中会造成污染，因此不能成为主流的制氢手段。电解水制氢，电解水制氢的工业历史悠久，其优点是生产效率高，工艺简单，但是其能耗过高导致不能大量使用。甲烷催化热分解制氢：甲烷热分解过程中可以得到高纯度的氢气，同时可以得到有利用价值的固体碳，但是由于其生产成本不低，此方法还有待研究。
目前世界上的主要储氢方式有：高压气态储氢，这是一种常用的储氢方法，其优点是成本低，充放气速度快。其缺点是需要较厚重的耐压容器，而且在存储过程中易发生气体泄漏和容器爆炸等问题。低温液态储氢，仅从质量和体积上来看，这是一种极为理想的储氢技术，但是由于氢气液化需要极大的能量，另外储氢需要特殊的低温容器，因此成本和安全问题是困扰这种方法的一大难题。吸附储氢技术，将氢气吸附在材料中，具有安全可靠，吸附率高的优点，但是其储氢机理还有待研究，且材料的合成成本太高，距离商业应用还需进一步发展。
综合来说，目前氢能源的生产和利用存在着诸多问题：1、氢能源的生产需要消耗大量能源，如电解法制氢，这样会使氢能源的生产失去意义和价值。2、氢的分子半径极小，密度极低，体积较大，给储存和运输带来了极大的困难，使氢能源的使用增加了巨大的成本。因此，如何高效生产和利用新型氢能源成为了整个世界需要解决的难题。
中国专利CN105197885A公开了一种利用纳米金属与水反应的制氢方法，其首先利用氢气燃烧产生热量加热金属，使其受热熔融蒸发形成纳米颗粒，再与雾化水反应产生氢气，并利用反应产生的热量促使这一过程的不断进行。但是该方法要求氢气发生室温度较高以保证铝为熔融状态，同时需要将水进行雾化，反应开始阶段需要外部提供较大热量，触发条件高，且对装置的隔热、保温性能要求较高，不具有便携易用的使用要求。中国专利CN106011554A公开了一种Al-Ga-In-Bi2O3-SnCl2铝合金水解制氢的方法，其利用球磨混合多种金属粉末，最终得到能在室温下水解制氢的合金粉末，但其合金制备成本较高，同时由于合金中主要与水反应产生氢气只有铝元素，因而氢气产生效率较低。因此本发明提供了一种反应效率高、原料易得、装置简便的制氢方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用纳米铝粉和水直接反应制取氢气的方法，它利用可持续再生的清洁能源—水，根据需要可随时随地制取，可减少氢气储运过程中存在的诸多问题。
一种利用铝粉直接与水反应制氢的方法，称取一定质量比的纳米铝粉与水，置于反应装置中，利用超声振荡使两者混合均匀，然后将反应装置置于热水浴池中，并使热水液面高于反应装置中的液面，一段时间后稳定产生氢气。
本发明的原理为：由水和铝通过化学反应产生氢气的原理可以表示为：3H2O+2Al=Al2O3+3H2。由于普通状态的铝表面有一层致密的Al2O3氧化膜，阻止了反应的进行，采用纳米铝粉代替普通铝，增大了铝的比表面积，从而大大的增加了与水的接触面积，使得反应能正常进行。在铝和水的反应过程中不断释放大量热量，进一步了促使了反应的连续进行，但反应过程中产热过大容易造成反应过于剧烈，不利于氢气的稳定制取。为解决这一问题，保证氢气的可控制取，本方案采用恒温水浴池，一方面可以为反应开始提供能量，另一方面在反应过程中可以吸收多余的热量，避免了反应装置内不断升温导致的反应速率过快，使反应过程趋于平稳，从而可以控制氢气的产生速率。
相比于其他方法，本发明具有如下优点：
（1）本发明所用原料易得，所需设备简单，工艺成本低。
（2）本发明反应过程与产物无污染，副产物可再利用。
（3）本发明反应容易触发，一旦开始无需外部能量输入，整体能耗低。
（4）本发明工艺简单，可随时随地制取利用氢气，节约了储氢运输的成本。
（5）本发明氢气产生效率高。
附图说明
图1：纳米铝粉与水反应装置示意图。
其中 1、铝水反应发生器， 2、恒温水浴池 ，3、氢气输送管， 4、氢燃料使用设备，5、氢气储存设备。
具体实施方案
下面通过实施例，对本发明作进一步描述，仅在于说明本发明而并非限制本发明。
实施例1：
1)采用平均粒径为50nm的铝粉作为制取氢气的原料，用分析天平称取一定量的纳米铝粉并用量筒量取相应量的水，将两者加入反应发生器中混合。所用的铝水质量比为1：50。
2)将反应器置于超声振荡装置中振荡若干分钟，使铝粉和水混合均匀。
3)将振荡之后的反应器放置在水温为80℃的水浴池中，保证水浴池的液面要高于反应器的液面，使反应物全部浸没在水浴中。
4)在水浴提供的热量下反应开始发生，并借由反应过程中产生的热量使得反应不断进行，所制得的氢气可由氢气输送管输送到储存设备或直接供给相关氢燃料使用设备（如氢氧燃料电池组）使用。
实施例2：
铝粉的平均粒径为50nm，铝水质量比为1：75，水浴池温度为80℃，其他工艺步骤与工艺参数均同实施例1。
实施例3：
铝粉的平均粒径为20nm，铝水质量比为1：150，水浴池温度为70℃，其他工艺步骤与工艺参数均同实施例1。
实施例4：
铝粉的平均粒径为80nm，铝水质量比为1：40，水浴池温度为90℃，其他工艺步骤与工艺参数均同实施例1。
以上实施例中铝水质量比、水浴池温度等参数为采用对应粒径铝粉完全反应、稳定获得氢气的优选条件。本发明的保护范围不仅仅局限于实施例，一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种利用铝粉与水直接反应制取氢气的方法，其特征是：称取一定质量比的纳米铝粉与水，置于反应装置中，利用超声振荡使两者混合均匀，然后将反应装置置于热水浴池中，并使热水液面高于反应装置中的液面，一段时间后稳定产生氢气。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：超声震荡若干分钟，使铝粉和水混合均匀。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是：纳米铝粉的粒径为20-80nm，对应铝粉与水质量比为1:150-1:40、水浴温度为70-90oC。
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