CN111348621A - 一种利用含氢化合物的可水解制氢材料 - Google Patents

一种利用含氢化合物的可水解制氢材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制氢技术领域，针对现有制氢技术的制氢效率低的问题，公开一种利用含氢化合物的可水解制氢材料，包括重量份的含氢化合物10~90份、中和剂5~60份和吸附材料5~50份；含氢化合物为金属氢化物、硼氢化钠中的至少一种；金属氢化物为氢化钙、氢化锂、氢化钠中的至少一种，中和剂为粒径1~500μm的柠檬酸和草酸粉末中的至少一种。本发明与现有技术相比，常温下与水、水蒸气、水雾以及低碳醇等反应制备氢气，反应效率高，氢气转化率高达90%以上，反应后体系接近中性对环境无污染，制得的氢气清洁无异味，同时制备方法简洁，工艺简单，是制作氢气保健产品的高效、友好的材料，对促进氢气在医疗保健方面应用具有重要意义。

Description

一种利用含氢化合物的可水解制氢材料
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种利用含氢化合物的可水解制氢材料。
背景技术
现有研究表明，身体氧化产生所需能量以维持身体运作的过程中伴随自由基的生成，过多的自由基会加速机体衰老，引起疾病，而大量动物模型和细胞学研究以及临床研究证明氢气能够改善自由基带来的不利影响，这是因为氢原子（H）带有一个电子，可以有效还原并除去活性氧自由基，并对氧自由基及能量代谢层面进行改善，所以对于体内发生的多种疾病如心脑血管、糖尿病、尿酸高等均有很好的改善控制作用。同时氢气分子体积小，可以非常容易的进入细胞内如细胞核和线粒体等部位，穿透性极强，因此给药途径很广，可以通过呼吸、饮用、经皮肤和注射等方式直接摄入人体，因此医疗用氢需求前景广阔。但是目前的制氢技术如活化金属或活化纳米铝粉水解制氢、电解水制氢等方法均存在制氢效率低、工艺复杂、成本高等问题，从而限制了氢技术应用的普及性。
中国专利CN108751128A，专利名称一种物理球磨金属粉末制取氢能源的方法，公开了以铝粉或镁粉为原料与水反应制备氢气，由于铝粉或镁粉在反应中产生氢氧化铝或氢氧化镁钝化层会阻止反应进行，因此通过球磨去除铝粉或镁粉表面的氧化层或氢氧化层来提高铝粉或镁粉的反应效率，该方法虽然相对现有活化金属制氢相对提升了制氢效率，但是制备成本上升，工艺也更加复杂。
发明内容
针对现有制氢技术的制氢效率低的问题，本发明的目的在于提供一种利用含氢化合物的可水解制氢材料，通过与水、水雾或者水蒸汽等接触产生氢气，制备氢气的效率高，而且工艺更加简洁。
本发明同时提供制备该含氢化合物的可水解制氢材料的制备方法。
本发明提供如下的技术方案：
一种利用含氢化合物的可水解制氢材料，所述可水解制氢材料包括以下重量分数的组份：含氢化合物10~90份、中和剂5~60份和吸附材料5~50份；所述含氢化合物为金属氢化物、硼氢化钠中的至少一种。本发明的可水解制氢材料采用金属氢化物、硼氢化钠作为氢源可与水、水蒸气、水雾等接触反应制备氢气，并加入中和剂消除制氢过程中产生的氢氧化物等阻碍反应的物质，氢气制备过程简单，而且制取效率高，同时使产物接近中性或弱酸性，减少环境污染和皮肤腐蚀。
作为本发明的优选，所述金属氢化物为氢化钙、氢化锂、氢化钠中的至少一种。
作为本发明的优选，所述可水解制氢材料包括以下重量分数的组份：含氢化合物10~35份、中和剂30~55份和吸附材料15~45份；所述含氢化合物的粒径为0.5~1000μm的固体粉末。由于金属氢化物与水反应后生成的氢氧化物不易溶于水，会导致金属氢化物颗粒中间的部分不易参与反应，使得水解制氢的效率提升困难。将金属氢化物制成粉末后，能够增大金属氢化物与水接触的比表面积，同时颗粒中间的部分也能参与制氢反应，因此能够进一步提高水解制氢的效率。
作为本发明的优选，所述中和剂为粒径1~500μm的固体粉末材料；所述中和剂为柠檬酸和草酸中的至少一种。柠檬酸和草酸与无机酸相比腐蚀性弱，而且无毒、安全，单位质量下能够提供更多的可用于中和反应的羧基。
作为本发明的优选，所述吸附材料为粒径为1~500μm的固体粉末材料；所述吸附材料选自硅藻土、分子筛、沸石、活性炭和泡沫碳中的至少一种。吸附材料起到载体并提供反应场所的作用，并吸附去除氢气中的味道。
作为本发明的优选，所述分子筛的结构式为Na2O•x(Al2O3)•y(SiO2)•z(H2O)，x的值为1~5，y的值为1~10，z的值为1~15。
作为本发明的优选，所述可水解制氢材料还包括重量分数的亲水性气相纳米二氧化硅2～5份，所述亲水性气相纳米二氧化硅的粒径为20～100nm。亲水性气相纳米二氧化硅具有极强的亲水性能，可以辅助捕集水蒸汽或水雾，增强可水解制氢材料的捕水和润湿能力，提供含氢化合物的反应效率。同时亲水性气相纳米二氧化硅表面的羟基的活性低，不足以与含氢化合物反应，保证了可水解制氢材料的稳定性。而且纳米级的气相二氧化硅具有的良好的分散性和润滑性，可以促进可水解制氢材料加工过程中的分散和流动均匀性。
作为本发明的优选，所述含氢化合物经以下过程处理后使用：将聚乙二醇溶解在丙酮中，然后加入亲水性气相纳米二氧化硅并超声分散均匀，再加入含氢化合物并超声分散均匀，静置后蒸发溶剂，并干燥、破碎得到处理后的含氢化合物。聚乙二醇中含有的羟基反应活性低不会与含氢化合物发生反应，但是聚乙二醇具有很好的亲水性能，有助于增强含氢化合物在水蒸气、水雾中的补水能力。同时发明人发现经过上述过程处理后的含氢化合物制备的可水解制氢材料的放置一段时间内的稳定性也有明显的增强，这可能是因为聚乙二醇具有长链结构并在丙酮中充分溶解，聚乙二醇的长链结构缠绕亲水性气相纳米二氧化硅和含氢化合物，并与亲水性气相纳米二氧化硅的三维网状结构发生协同作用，在大量水蒸气、水雾存在下起到聚水、积水（成湖）效果，促进含氢化合物的反应；在干燥空气环境中则与亲水性气相纳米二氧化硅共同起到缚水作用，阻止含氢化合物与水蒸汽的接触反应。但是随放置时间增加，聚水、积水增多，当吸水达到一定程度后增加了含氢化合物与水蒸汽的接触机会，导致超过适宜的放置时间后的稳定性降低，制氢效果下降。
作为本发明的优选，聚乙二醇的浓度为10～40g/L，亲水性气相纳米二氧化硅的分散浓度为10～25g/L，含氢化合物的分散浓度为50～450g/L。
一种制备上述利用含氢化合物的可水解制氢材料的方法，其特征在于：先将中和剂和吸附材料粉碎混匀后烘干，冷却后再与余下物料粉碎混匀即可。本发明的可水解制氢材料在空气气氛中机械破碎研磨均匀即可，避免了现有技术中对惰性气氛和设备和工艺的复杂要求。
本发明的有益效果如下：
本发明的可水解制氢材料与现有技术相比，以含氢化合物、中和剂和吸附材料制备，可在常温下与水、水蒸气、水雾以及低碳醇等反应制备氢气，及时消除反应中产生的碱性物质，促进反应进行，反应效率高，氢气转化率高达90%以上，反应后体系接近中性对环境无污染，制得的氢气清洁无异味，同时制备方法简洁，工艺简单，是制作氢气保健产品的一种高效、友好的材料，对促进氢气在医疗保健方面应用具有重要意义。
附图说明
图1是实施例1中的可水解制氢材料与不同反应体系接触的制氢曲线图。
图2是实施例1中的可水解制氢材料暴露在空气不同时间后的制氢曲线图。
图1中：
-▲-：与水形成的水雾反应；
-●-：与50wt%水+30wt%丙三醇+20wt%丙二醇形成的水雾反应；
-■-：与20wt%水+50wt%丙三醇+30wt%丙二醇形成的水雾反应。
图2中：
-■-：暴露在空气中0天；
-●-：暴露在空气中2个月；
-▲-：暴露在空气中4个月；
-◄-：暴露在空气中6个月；
-♦-：暴露在空气中8个月。
具体实施方式
下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。
如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。
实施例1
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，包括：粒径为70μm的氢化钙粉末20g、粒径为200μm的柠檬酸45g和粒径为100μm的硅藻土35g。
该可水解制氢材料经以下过程制得：称取配方量的氢化钙、柠檬酸和硅藻土，先将柠檬酸和硅藻土粉碎混匀后60℃烘干，冷却后再与氢化钙混合粉碎，然后500rpm的转速在混料机中混匀10min即可。
（1）制氢能力测试
将实施例1的可水解制氢材料0.10g分别与20mL的纯水、50wt%水+30wt%丙三醇+20wt%丙二醇、20wt%水+50wt%丙三醇+30wt%丙二醇形成的水雾发生接触反应，先测量产生氢气的体积，计算产氢量，然后绘制产氢量-时间的产氢曲线，得到与水形成的水雾反应的产氢曲线（-▲-）、与50wt%水+30wt%丙三醇+20wt%丙二醇形成的水雾反应的产氢曲线（-●-）、与20wt%水+50wt%丙三醇+30wt%丙二醇形成的水雾反应的产氢曲线（-■-），如图1所示。
从图1中可以看出，可水解制氢材料可以与水、水和丙三醇、丙二醇的混合溶液形成的水雾发生反应，而且达到最大产氢量的时间迅速。同时可以看出，可水解制氢材料与水形成的水雾的反应能力强于含醇的溶液形成的水雾，反应迅速且最大产氢量高。
（2）放置稳定性测试
将实施例1的可水解制氢材料在25℃、相对湿度为45%的清洁环境中暴露放置一段时间，然后取0.1g的可水解制氢材料与20mL、温度为20℃的50%水+30%丙三醇+20%丙二醇形成的水雾反应，绘制不同放置时间下的产氢曲线：暴露在空气中0天（-■-：）、暴露在空气中2个月（-●-：）、暴露在空气中4个月（-▲-）、暴露在空气中6个月（-◄-）、暴露在空气中8个月（-♦-），结果见图2所示。
从图中可以看出，随放置时间的增加，最大的产氢量逐渐降低，暴露2个月、4个月、6个月和8个月的最大的产氢量相对下降约2.6%、8.5%、12.0%和15.4%，因此暴露在空气中放置8个月后的制氢能力仍保持八成以上，具有较高的水解制氢效率。
实施例2
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，包括粒径为70μm的氢化钙粉末20g、粒径为200μm的柠檬酸45g和粒径为100μm的分子筛35g。分子筛的结构式为Na2O•3(Al2O3)•5(SiO2)•8(H2O)。
该可水解制氢材料经以下过程制得：称取配方量的氢化钙、柠檬酸和分子筛，先将柠檬酸和分子筛粉碎混匀后60℃烘干，冷却后再与氢化钙混合粉碎，然后500rpm的转速在混料机中混匀10min即可。
该实施例制备的可水解制氢材料的制氢能力和放置稳定性与实施例1相当。
实施例3
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，包括粒径为70μm的氢化钙粉末30g、粒径在200μm的柠檬酸55g和粒径在100μm的硅藻土15g。
该可水解制氢材料经以下过程制得：称取配方量的氢化钙、柠檬酸和硅藻土，先将柠檬酸和硅藻土粉碎混匀后60℃烘干，冷却后再与氢化钙混合粉碎，然后500rpm的转速在混料机中混匀10min即可。
该实施例制备的可水解制氢材料的制氢能力和放置稳定性与实施例1相当。
实施例4
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，包括粒径为70μm的硼氢化钠粉末20g、粒径在200μm的柠檬酸45g和粒径在100μm的硅藻土35g。
该可水解制氢材料经以下过程制得：称取配方量的氢化钙、柠檬酸和硅藻土，先将柠檬酸和硅藻土粉碎混匀后60℃烘干，冷却后再与硼氢化钠粉末混合粉碎，然后500rpm的转速在混料机中混匀10min即可。
该实施例制备的可水解制氢材料的放置稳定性与实施例1相当，开始反应的制氢速率与实施例1相比相对有所降低，但是在更长反应时间内的制氢能力可以达到并超过实施例1。
实施例5
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，与实施例1相比不同之处在于，氢化钙粉末质量35g、粒径0.5μm；柠檬酸粉末质量30g、粒径1μm；硅藻土粉末质量45g、粒径500μm。
实施例6
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，与实施例1相比不同之处在于，氢化钙粉末质量90g、粒径300μm；柠檬酸粉末质量60g、粒径500μm；硅藻土粉末质量50g、粒径500μm。
实施例7
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，与实施例1相比不同之处在于，氢化钙粉末质量10g、粒径0.5μm；柠檬酸粉末质量5g、粒径1μm；硅藻土粉末质量5g、粒径1μm。
实施例8
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，包括粒径为70μm的氢化钙粉末20g、粒径为200μm的柠檬酸45g和粒径为100μm的硅藻土35g、粒径为20nm的亲水性气相纳米二氧化硅2g。
该可水解制氢材料经以下过程制得：称取配方量的氢化钙、柠檬酸和硅藻土，先将柠檬酸和硅藻土粉碎混匀后60℃烘干，然后将氢化钙粉末和亲水性气相纳米二氧化硅混合均匀，将两次物料冷却后混合粉碎，然后500rpm的转速在混料机中混匀10min即可。
该实施例制备的制氢材料与实施例1相比，制氢速率相当，最大的产氢量提高2%，暴露在空气中放置8个月后的制氢能力下降13.5%。
实施例9
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，与实施例8的不同之处在于，亲水性气相纳米二氧化硅的粒径为100nm、质量为5g。
该可水解制氢材料的制氢能力与实施例8相当。
实施例10
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，包括粒径为70μm的氢化钙粉末20g、粒径为200μm的柠檬酸45g和粒径为100μm的硅藻土35g；
其中氢化钙粉末经以下过程处理后使用：将粒径为20nm的亲水性气相纳米二氧化硅分散在聚乙二醇浓度为10g/L的丙酮溶液中，分散浓度12.5g/L，超声分散均匀，超声功率为45w，超声时间90分钟，然后将氢化钙粉末超声均匀分散在该丙酮溶液中，分散浓度为50g/L，在室温下静置24小时后蒸发溶剂，并干燥、破碎得到处理后的氢化钙。
该可水解制氢材料经以下过程制得：称取配方量的氢化钙、柠檬酸和硅藻土，先将柠檬酸和硅藻土粉碎混匀后60℃烘干，冷却后再与处理后的氢化钙混合粉碎，然后500rpm的转速在混料机中混匀10min即可。
该实施例所得可水解制氢材料的产氢速率与实施例1相当，最大的产氢量提升3.5%，放置8个月后的产氢能力下降9.3%。
实施例11
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，与实施例10的不同之处在于，氢化钙粉末处理过程中的聚乙二醇的丙酮溶液的浓度为40g/L、氢化钙粉末的分散浓度为25g/L、氢化钙粉末的分散浓度为100g/L。
该实施例所得可水解制氢材料的产氢速率与实施例1相当，最大的产氢量提升3.7%，放置8个月后的产氢能力下降8.8%。
实施例12
一种利用含氢化物的可水解制氢材料，与实施例10的不同之处在于，所用氢化钙粉末质量为25g，氢化钙粉末处理中聚乙二醇的丙酮溶液的浓度为20g/L、氢化钙粉末的分散浓度为10g/L、氢化钙粉末的分散浓度为40g/L。
该实施例所得可水解制氢材料的产氢速率与实施例1相当，最大的产氢量提升3.8%，放置8个月后的产氢能力下降8.5%。
实施例13
与实施例10的不同之处在于，所用吸附材料为分子筛Na2O•3(Al2O3)•5(SiO2)•8(H2O)。
该实施例制备的可水解制氢材料的产氢速率与实施例1相当，最大产氢量提升3.0%，放置8个月后的产氢能力下降11.3%。
该实施例以分子筛作为吸附材料后的放置稳定性提升能力与以硅藻土相比有所减弱，发明人推测可能原因是硅藻土的表面也含有羟基，处理后的氢化钙所具备的亲水性气相纳米二氧化硅和聚乙二醇的羟基与硅藻土的表面的羟基形成氢键，提高了整个可水解制氢材料体系的稳定性。同时发明人进一步的同样条件下以活性炭、沸石、泡沫碳等作为吸附材料后的可水解制氢材料的放置稳定性的提升效果亦弱于实施例10。

Claims (10)

1.一种利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述可水解制氢材料包括以下重量分数的组份：含氢化合物10~90份、中和剂5~60份和吸附材料5~50份；所述含氢化合物为金属氢化物、硼氢化钠中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述金属氢化物为氢化钙、氢化锂、氢化钠中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述可水解制氢材料包括以下重量分数的组份：含氢化合物10~35份、中和剂30~55份和吸附材料15~45份；所述含氢化合物的粒径为0.5~1000μm的固体粉末。
4.根据权利要求1所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述中和剂为粒径1~500μm的固体粉末材料；所述中和剂为柠檬酸和草酸中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述吸附材料为粒径为1~500μm的固体粉末材料；所述吸附材料选自硅藻土、分子筛、沸石、活性炭和泡沫碳中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述分子筛的结构式为Na2O•x(Al2O3)•y(SiO2)•z(H2O)，x的值为1~5，y的值为1~10，z的值为1~15。
7.根据权利要求1或2或4或5或6所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述可水解制氢材料还包括重量份的亲水性气相纳米二氧化硅2～5份，所述亲水性气相纳米二氧化硅的粒径为20～100nm。
8.根据权利要求1或2或4或5或6所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，所述含氢化合物经以下过程处理后使用：将聚乙二醇溶解在丙酮中，然后加入亲水性气相纳米二氧化硅并超声分散均匀，再加入含氢化合物并超声分散均匀，静置后蒸发溶剂，并干燥、破碎得到处理后的含氢化合物。
9.根据权利要求8所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料，其特征在于，聚乙二醇的浓度为10～40g/L，亲水性气相纳米二氧化硅的分散浓度为10～25g/L，含氢化合物的分散浓度为50～450g/L。
10.一种制备如权利要求1~9任一所述的利用含氢化合物的可水解制氢材料的方法，其特征在于：先将中和剂和吸附材料粉碎混匀后烘干，冷却后再与余下物料粉碎混匀即可。
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