CN109133001A

CN109133001A - 一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料

Info

Publication number: CN109133001A
Application number: CN201810968120.9A
Authority: CN
Inventors: 周平乐
Original assignee: Hangzhou Hydrogen Source Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Hydrogen Source Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明涉及水解制氢技术领域，公开了一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料。本发明采用原位混合法将酸通过浸渍吸附到活性炭里，干燥后得到酸化活性炭，然后将金属粉与该酸化活性炭均匀混合即得到复合制氢材料，该材料遇水即反应释放出氢气。本发明制备工艺简易、生产效率高、无需特殊条件和材料，所制备的制氢材料与常温水反应产氢量高，氢气转化率高达95%以上。在整个过程中活性炭里的酸通过缓慢释放可以控制氢气转化速率，该材料与水反应的产物近中性对环境无污染，且可以回收再利用，对促进高效清洁能源技术‑氢气燃料电池的发展和氢气在医疗保健等方面应用具有重要意义。

Description

一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料

技术领域

本发明涉及水解制氢技术领域，尤其涉及一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料。

背景技术

氢能量密度高，氧化反应的副产物水没有环境污染，是燃料电池的理想燃料。但氢的储存和运输是世界难题，例如，氢气的液化需要-252℃的低温；如果将氢气压缩在到钢瓶罐中且能满足商业化应用的要求，需要500-700个大气压。无论是低温液化还是高压氢气，成本高，技术复杂，很难实现氢气燃料电池商业化应用。另一方面，目前的储氢材料在燃料电池汽车使用的温度和压力范围内（1-10个大气压，0-100℃），储氢水平只有1~2%重量比，且储氢材料储氢和放氢需要特别的温度和压力，应用于便携式燃料电池的可能性很小。目前国内外研究最多的便携式燃料电池的燃料为甲醇和硼氢化钠(NaBH₄)，但它们均存在许多技术和成本上的缺点。例如，直接型甲醇燃料电池(DMFC)中甲醇容易对电解质膜渗透和副产品CO对阳极催化剂产生中毒副作用，导致燃料电池的转换和使用效率大大降低；电池内部催化甲醇改质型燃料电池化学反应需要在约250℃的条件下才能完成，既消耗能量及降低能量的转化效率，又增加系统的技术难度和生产成本。NaBH₄与水反应产氢，但是NaBH₄价格昂贵，且必须使用NaOH作为NaBH₄溶液的稳定剂，存在强碱污染问题。

人体运作会产生自由基，过多的自由基对身体的危害是破坏性的。科学家已证实，自由基至少和一百多种疾病有关，要消除自由基，就要给它提供电子，让它转化为对身体有益的水。氢原子（H）带有一个电子，可以有效还原并去除活性氧自由基，并对氧自由基及能量代谢层面进行改善。而氢气是宇宙中最小的分子，可以非常容易的进入细胞内如细胞核和线粒体等任何部位，穿透性极强。但是目前的制氢技术包括通过压缩氢气、活化金属镁粉或活化纳米铝粉水解制氢、电解水制氢等方法制氢，均存在工艺复杂、氢吸收率低、成本高等问题，从而限制了其应用的普及性。

中国专利申请公开说明书，CN105970031B中公开了一种水解制氢铝合金及其制备方法。包括如下质量含量的组分：Al 60～95wt％，Ga 0.5～10wt％，In 0.5～10wt％，Sr0.5～10wt％，Bi₂O₃ 1～10wt％，SnCl₂ 1～10wt％，经球磨得到水解制氢铝合金。这种制氢材料具有较高的化学活性，在常温下与水迅速发生水解制氢反应。但是其配方复杂，原料要求高，产氢速率较低。至今为止世界上尚未有一种理想的水解制氢材料。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料。该材料为一种便携式产氢材料，可直接为便携式器件的燃料电池提供氢源，也可以作为一种新的用于医疗和保健方面的高效制氢材料。

本发明的具体技术方案为：一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，包括以下组分：金属粉50-80wt%、酸化活性炭20-50wt%。

本发明的复合制氢材料包括金属粉和酸化活性炭，活性炭中的酸缓慢释放，可以控制氢气的转化速率，反应产物接近中性。在本发明中，活性炭的微纳米级的孔道使得其中的酸缓慢的释放出来。活性炭中释放的酸能与金属表面的氧化层反应，使金属得到活化，提高金属与水的反应活性。同时，活性炭中释放的酸能与金属反应释放氢气，增加氢气产量。随着酸与氧化铝和水的反应，活性炭中的酸不断的释放出来。即本发明的复合制氢材料与水进行制氢反应的过程中主要发生三种反应：酸与金属表面的氧化层反应、金属与水反应、金属与酸反应。通过本发明的复合制氢材料，能够有效的控制金属的氧化，同时提高氢气的产生速率。

作为优选，所述金属粉为铝、铁、锌、硒、铜、镁、锡、锑中的至少一种。

作为优选，其特征在于：所述金属粉的粒径为1~2000μm。

作为优选，所述酸化活性炭中的酸可以为盐酸、硫酸、磷酸、硝酸中的至少一种。

作为优选，所述酸化活性炭的粒径为1~5000μm。

作为优选，所述金属粉为普通金属粉或泡沫金属粉中的至少一种。

作为优选，一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料的制备方法包括以下步骤：

（1）按重量百分含量称取金属粉50-80wt%，活性炭20-50wt%；

（2）将称取的活性炭在酸溶液里浸泡0.5~2h，过滤，并在100~120℃干燥至恒重；

（3）将金属粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

作为优选，步骤（2）中，所述浸泡的时间为0.5~2h。

作为优选，步骤（2）中，所述干燥的温度为100~120℃

本发明采用原位混合法制备的金属粉和酸化活性炭的复合制氢材料，在干燥状态下是稳定的固体粉末材料，接触到水之后活性炭即释放酸与金属粉直接反应产生氢气。复合制氢材料的制备方法简单，容易操作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用原位混合法将酸通过浸渍吸附到活性炭里，干燥后得到酸化活性炭，然后将金属粉与该酸化活性炭均匀混合即得到复合制氢材料，该材料遇水即反应释放出氢气。本发明制备工艺简易、生产效率高、无需特殊条件和材料，所制备的制氢材料在常温水里产氢量高，氢气转化率高达95%以上；在整个过程中活性炭里的酸通过缓慢释放可以控制氢气转化速率，该材料与水反应的产物近中性对环境无污染，且可以回收再利用，对促进高效清洁能源技术-氢气燃料电池的发展和氢气在医疗保健等方面应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的普通金属铝粉和酸化活性炭复合制氢材料在不同温度下与水反应制氢曲线图；

图2为本发明的普通金属铝粉和酸化活性炭复合制氢材料暴露在空气中不同时间后与水反应制氢曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。

实施例1

一种金属铝粉和盐酸酸化活性炭复合制氢材料的制备步骤如下：

（1）按重量百分含量称取粒径为200μm的金属铝粉80g，粒径为100μm的活性炭20g；

（2）将称取的活性炭在100mL浓度为20wt%的盐酸溶液里浸泡1h，过滤，并在120℃干燥至恒重，得到酸化活性炭材料；

（3）将金属铝粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

实施例2

一种金属铁粉和盐酸酸化活性炭复合制氢材料的制备步骤如下：

（1）按重量百分含量称取粒径为100μm的金属铁粉80g，粒径为200μm的活性炭20g；

（3）将金属铁粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

实施例3

一种金属铝和硫酸酸化活性炭复合制氢材料的制备步骤如下：

（1）按重量百分含量称取粒径为200μm的金属铝粉80g，粒径为200μm的活性炭20g；

（2）将称取的活性炭在100mL浓度为30wt%的硫酸溶液里浸泡1h，过滤，并在120℃干燥至恒重，得到酸化活性炭材料；将金属铝粉制成泡沫铝粉；

（3）将泡沫铝粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

其中所述泡沫铝粉的制备方法为：将30份金属铝粉加入蒸馏水中，加入5份聚乙烯吡咯烷酮，超声分散后加入4份二偶氮氨基苯、13~28份羧甲基纤维和10份壳聚糖，搅拌均匀；将混合液加入装有絮状的直径为25nm、长度为15cm的椰棕纤维的模具中，超声1h后，在5℃静置固化；固化后的混合材料在260℃焙烧2.5h，500℃焙烧1.5h，最后在800℃焙烧1h，冷却后用水清洗干净得泡沫铝粉。

本发明将金属铝粉分散在水中，以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂，加入发泡剂和粘合剂，发泡剂在加热的条件下释放出气体，在基体中形成孔，通过调节发泡剂和粘合剂的用量可以控制泡沫铝粉的密度和孔径。壳聚糖在水中为絮状沉淀和絮状的椰棕纤维作为泡沫铝粉的模板剂，发明人采用不同直径和长度的絮状的椰棕纤维形成的网络结构以及絮状的壳聚糖作为泡沫铝粉的模板剂，在泡沫铝粉中形成不同孔径大小的通孔，混合液固化后经过分段焙烧去除有机物和椰棕纤维，同时使发泡剂释放出气体，形成泡沫铝粉。制备的泡沫铝粉中形成的孔道为不同孔径大小的三维孔道结构。具体地，首先在200~260℃焙烧2~3h，使发泡剂释放出气体，形成孔状结构。在350~450℃焙烧1.5~2.5h，除去混合材料中沸点较低的有机物。在600~800℃焙烧1~2h，除去混合材料中的椰棕纤维。最后将泡沫铝粉孔道中的杂质清洗干净。本发明通过将铝制成泡沫铝粉的方式，增大了铝的比表面积，从而增大了铝与水的接触面积，加快了铝水解制氢的反应速率。

实施例4

一种金属铁和硫酸酸化活性炭复合制氢材料的制备步骤如下：

（1）按重量百分含量称取粒径为100μm的金属铁粉60g，粒径为200μm的活性炭40g；

（2）将称取的活性炭在100mL浓度为30wt%的硫酸溶液里浸泡1h，过滤，并在120℃干燥至恒重，得到酸化活性炭材料；将金属铁粉制成泡沫铁粉；

（3）将泡沫铁粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

其中所述泡沫铁粉的制备方法为：将35份金属铁粉加入蒸馏水中，加入7份聚乙烯吡咯烷酮，超声分散后加入5份碳酸氢钠、28份聚乙烯醇和15份壳聚糖，搅拌均匀；将混合液加入装有絮状的直径为20nm、长度为15cm的椰棕纤维和直径为15μm、长度为15cm的棕榈丝的模具中，超声0.5h后，在4℃静置固化；固化后的混合材料在240℃焙烧3h，450℃焙烧2h，最后在700℃焙烧2h，冷却后用水清洗干净得泡沫铁粉。

实施例5

一种金属锌粉和磷酸酸化活性炭复合制氢材料的制备步骤如下：

（1）按重量百分含量称取粒径为200μm的金属锌粉80g，粒径为200μm的活性炭20g；

（2）将称取的活性炭在100mL浓度为30wt%的磷酸溶液里浸泡1h，过滤，并在120℃干燥至恒重，得到酸化活性炭材料；

（3）将金属锌粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

实施例6

一种金属硒粉和硫酸酸化活性炭复合制氢材料的制备步骤如下：

（1）按重量百分含量称取粒径为200μm的金属硒粉80g，粒径为200μm的活性炭20g；

（2）将称取的活性炭在100mL浓度为30wt%的硫酸溶液里浸泡1h，过滤，并在120℃干燥至恒重，得到酸化活性炭材料；

（3）将金属硒粉和干燥的酸化活性炭均匀混合，并抽真空封装即得到复合制氢材料。

利用实施例1制备的复合制氢材料进行水解制氢实验，方法如下：

取0.10g复合制氢材料分别与20mL温度为0℃、25℃和60℃的纯水反应，先测量产生氢气的体积，根据体积时间画出其产氢曲线；复合制氢材料在不同温度下的产氢曲线见图1，将复合制氢材料暴露在空气中不同时间后与水反应的产氢曲线见图2。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：所述制氢材料包括以下组分：金属粉50-80wt%、酸化活性炭20-50wt%。

2.根据权利要求1所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：所述金属粉为铝、铁、锌、硒、铜、镁、锡、锑中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：所述金属粉的粒径为1~2000μm。

4.根据权利要求1所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：所述酸化活性炭中的酸为盐酸、硫酸、磷酸、硝酸中的至少一种。

5.根据权利要求1或4所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：所述酸化活性炭的粒径为1~5000μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：所述金属粉为普通金属粉或泡沫金属粉中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

（1）按重量百分含量称取金属粉50-80wt%，活性炭20-50wt%；

（2）将称取的活性炭在酸溶液里浸泡后过滤，并干燥至恒重；

8.根据权利要求7所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：步骤（2）中，所述浸泡的时间为0.5~2h。

9.根据权利要求7所述的一种金属粉和酸化活性炭复合制氢材料，其特征在于：步骤（2）中，所述干燥的温度为100~120℃。