CN113026041A - 基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置 - Google Patents
基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，包括电解装置和电解液循环装置，电解装置包括电源，与电源正极相连的阳极、与电源负极相连的阴极，和电解池，所述电解池中盛有电解液；所述电解液循环装置包括循环泵，位于循环泵两端连接的进液端和出液端，所述进液端插入电解液的下方，所述出液端与喷头相连，与所述电解装置的阴极相对设置。本发明的装置采用外在流体动力使得BO2 ‑和BH4 ‑离子从阳极快速喷出，喷射在阴极表面，可以有效避免BO2 ‑和BH4 ‑阴离子向阳极电迁移，有效改善BO2 ‑向阴极表面的传质，提高BO2 ‑在阴极发生电化学还原的速率，提升硼氢化钠制备效率。本发明装置结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于储氢材料制作领域，具体涉及一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置。
背景技术
可再生能源制氢体系的构建是实现绿色氢能供应体系的前提。目前我国96％的产氢主要还是来自化石燃料制氢和化工副产氢。硼氢化钠作为一种优良的储氢材料，其储氢密度可达10.8wt％，再生产物无污染，放氢纯度高。目前所采用的电化学还原NaBO2制备NaBH4的具体反应过程如式(1)所示：
NaBO2+2H2O→2O2+NaBH4 (1)
利用电化学还原法制备硼氢化钠所存在的主要问题为在电解过程中，根据同性相斥、异性相吸的原理，BO2-阴负离子会向阳极移动，使得阴极附近BO2-离子浓度降低，导致BO2-离子还原为BH4-离子十分困难，就算在阴极还原生成BH4-离子，BH4-离子也会因为向阳极表面移动从而发生氧化反应被消耗。所以在电解过程中，传质的影响至关重要。
目前大多数研究者选用的是隔膜电解槽，分为阴极室与阳极室，中间用阳离子交换膜隔开，但是这种电解槽下采用电解电还原得到的NaBH4浓度低，转化率低，并且需要电量大。
发明内容
针对现有技术中电解法电化学还原偏硼酸钠制备硼氢化钠中所使用的装置传质效率差、耗电量大，电解效率低的问题，为了改善传质条件，减小电解过程中偏硼酸根离子向阳极电迁移的影响，本发明设计了一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，由电源，恒温磁力搅拌器，蠕动泵，喷头组成，供电方式采用直流电解，阴极上施加电源负极，喷头上施加电源正极。阴极贴近喷头，可以减小偏硼酸根离子电迁移的影响，利用该工艺电化学还原制备的硼氢化钠浓度高，工艺简单，成本低。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，包括电解装置和电解液循环装置，电解装置包括电源，与电源正极相连的阳极、与电源负极相连的阴极，和电解池，所述电解池中盛有电解液；所述电解液循环装置包括循环泵，位于循环泵两端连接的进液端和出液端，所述进液端插入电解液的下方，所述出液端与喷头相连，与所述电解装置的阴极相对设置。
作为本发明的进一步改进，所述电解装置的阴极和阳极设置在电解液的液面上方，从所述喷头中所喷射的电解液以不低于0.28ml/s的流速射向所述的阴极。
优选的，所述电解液以0.37-0.89ml/s的流速射向所述的阴极。
作为本发明的进一步改进，所述喷头通过导体连接件连接在所述循环泵的出液端，所述电解装置的电源正极与所述导体连接件相连。
作为本发明的进一步改进，所述的导体连接件采用的是金属材料或导电石墨材料制作，选用耐腐蚀材料制作所述的喷头。
作为本发明的进一步改进，所述的喷头为导电喷头，所述电解装置的电源正极与所述喷头相连。
作为本发明的进一步改进，所述导电喷头采用的是金属材料或导电石墨材料制作。
作为本发明的进一步改进，所述喷头和所述阴极之间的间距为1-5mm。
作为本发明的进一步改进，所述阴极的截面尺度大于所述喷头的截面尺寸，同侧边缘的尺寸差为1-2mm。
作为本发明的进一步改进，选用铅、锡、铂、钼、钛、铟、铋、BDD中的任一种材料制作所述的阴极。
本发明的有益效果：本发明装置采用外在流体动力使得BO2-和BH4-离子快速的远离阳极，向阴极移动，降低了BO2-和BH4-离子被阳极吸附发生失电子反应的几率，且有效的提高了BO2-向阴极方向的传质，提高了BO2-在阴极的富集浓度，提高反应速率和反应几率，提升了BO2-的转化率，提高了所制备的硼氢化钠的浓度。且本发明的装置结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明装置连接结构示意图；
图2为本发明的喷头的第一种实施例的结构示意图；
图3为本发明的喷头的第二种实施例的结构示意图及电解液流动的动态模拟示意图；
图4为实施例1所测试的对应于不同电压下电解所得到的电解液的CV图(a)和根据CV图中所显示的最大电流密度及其转化的硼氢化钠浓度的柱状图(b)；
图5为实施例2所测试的对应于不同电解液流速下电解所得到的电解液的CV图(a)和根据CV图中所显示的最大电流密度及其转化的硼氢化钠浓度的柱状图(b)；
图6为实施例3所测试的对应于不同电解时间所得到的电解液的CV图(a)和根据CV图中所显示的最大电流密度及其转化的硼氢化钠浓度的柱状图(b)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示的本发明的装置结构，包括电解装置和电解液循环装置。电解装置包括电解池2、电源3，与电源3负极相连的阴极4，与电源正极相连的喷头5，电解池2中盛有电解液放置在磁力搅拌器1的上方。所述阴极4和所述喷头5面对面的方式悬空设置在电解液的上方(并非浸在电解液内)，位置关系不限定于具体的哪一种方位，上、下、左、右四个方位均可，喷头5相对于阴极4的一侧开设有喷孔。电解液循环装置包括循环泵8、所述循环泵8所连接的出液端6与用做电解装置阳极的喷头5相连，所连接的进液端7插入电解液的液面下方。
具体的喷头5结构可以如图1-2第一种实施例所示的，采用耐腐蚀材料，如聚乳酸(PLA)，制作所述的喷头，所述的喷头与电解液循环装置的出液端通过导体连接件连接，电源正极与导体连接件相连，构成了电解装置的阳极。或者如图3所示的第二种实施例，直接采用具有导电性质的材料(如金属材料或导电石墨)制作喷头，电源正极与喷头相连用作阳极材料。
采用本发明电解装置电解制备偏硼酸钠的过程如下：将偏硼酸钠与氢氧化钠的混合，置于电解池2中，开启恒温磁力搅拌器1设25℃加热至恒定。裁剪规定面积的金属片作为阴极4与负极相连，将循环泵出液端的喷头5与电源正极相连。将循环泵8进液端放置盛有电解液的烧杯中，待温度恒定，设置电源电压，将阴极4贴近喷头5，开启循环泵8，开始电解，此反应主要在阴极4的面对喷头5的一侧进行。如图3所示，BO2-在阴极上得到电子，但是由于电荷的排斥作用，阴离子要靠近阴极表面是很困难，所以很难在阴极上直接还原，故将阴极贴近喷头，可以减小偏硼酸根离子电迁移的影响，高效地将BO2-离子还原为BH4-离子。通过循环泵加速离子流动，也增加了传质，提升了BO2-的转化率。
为了保证该装置的有效性和提升了BO2-的转化率，电解过程中，所涉及的与装置有关的工艺参数包括：
从所述喷头中所喷射的电解液以0.28-0.37ml/s的流速射向所述的阴极。
所述阴极的截面尺度大于所述喷头的截面尺寸，同侧边缘的尺寸差为1-2mm，确保电解液能有效的喷射到阴极上，并预留足够的电解液在阴极上的反应时间。
另外，在本发明的一种实施例中选用铅、锡、铂、钼、钛、铟、铋、BDD中的任一种材料制作所述的阴极。
实验过程中，移动电源可以显示电解过程产生的电流大小，因此可以根据电流的大小以及波动程度来确保实验的准确性。正常来说，电解稳定过程电流也相对稳定具体实施例1-3，再对电解后的溶液进行性能测试(测试方法为采用金电极作为阴极利用循环伏安法测试，测试电压范围为-0.8～-0.1v，扫描速度为0.05v/s，测试所得到的电解液的电流值，换算即可得到电解产生的硼氢化钠的量)来验证此装置的效果。
实施例1
将恒温磁力搅拌器调至25℃恒定，在300ml烧杯中加入50ml lmol/L的NaOH溶液和0.5mol/L的偏硼酸钠混合溶液，放入恒温磁力搅拌器中加热10分钟。以裁剪成2×3cm，厚度为0.1mm的长方形铅片作为阴极，用移动电源来给铅片施加负极，蠕动泵软管一端连接喷头，喷头上施加电源正极；软管另一端放入烧杯，调节蠕动泵输送方向为正向输送电解液。电解时使阴极贴近喷头。在25℃下，采用直流电源，电解液流速设为0.28ml/s，电解时间为30min，分别在2.5、3、3.5、4、4.5v电压下电解制备硼氢化钠。
实施例2
采用和实施例1相同的原料和步骤，在恒温(25℃)、恒压(3v)下直流电解，在流速分别为0.28ml/s，0.34ml/s，0.37ml/s下分别电解30min制备硼氢化钠。
实施例3
采用和实施例1相同的原料和步骤，测试在3v的直流电压下，流速v：0.38ml/s，电解的时间为60、90、120、150min。
性能测试
测试方法为采用金电极作为阴极利用循环伏安法测试，测试电压范围为-0.8～-0.1v，扫描速度为0.05v/s，测试所得到的电解液的电流值。
如图4所示的对应于实施例1采用不同电解速率所得到的电解液CV图，可以看出，在3v下电解峰值电流最大，硼氢化钠浓度最高。
如图5所示的对应于实施例2中不同电解液流速对电解的影响，可以看出，试验过程中流速越大，最大电流密度越高，硼氢化钠浓度越高。
如图6所示的对应于实施例3中不同电解时间对电解的影响，可以看出，硼氢化钠的浓度随着电解时间的增长而增大，在设定的时间内，在电解150min的数值的位置出现了最大的电流，硼氢化钠浓度最高，表明，本装置具有较好的从阳极向阴极推动的传质效果，避免阴离子被阳极吸引发生氧化反应。
CV图显示电解150min后峰值电流最大，硼氢化钠浓度最高，表明，电解时间越长，传质效果越好。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：包括电解装置和电解液循环装置；
电解装置包括电源，与电源正极相连的阳极、与电源负极相连的阴极，和电解池，所述电解池中盛有电解液；所述电解液循环装置包括循环泵，位于循环泵两端连接的进液端和出液端，所述进液端插入电解液的下方，所述出液端与喷头相连，与所述电解装置的阴极相对设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述电解装置的阴极和阳极设置在电解液的液面上方，从所述喷头中所喷射的电解液以不低于0.28ml/s的流速射向所述的阴极。
3.根据权利要求2所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述电解液以0.37-0.89ml/s的流速射向所述的阴极。
4.根据权利要求2所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述喷头通过导体连接件连接在所述循环泵的出液端，所述电解装置的电源正极与所述导体连接件相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述的导体连接件采用的是金属材料或导电石墨材料制作，选用耐腐蚀材料制作所述的喷头。
6.根据权利要求2所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述的喷头为导电喷头，所述电解装置的电源正极与所述喷头相连。
7.根据权利要求6所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述导电喷头采用的是金属材料或导电石墨材料制作。
8.根据权利要求4或6所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述喷头和所述阴极之间的间距为1-5mm。
9.根据权利要求8所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：所述阴极的截面尺度大于所述喷头的截面尺寸，同侧边缘的尺寸差为1-2mm。
10.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于喷射电化学装置还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的储氢装置，其特征在于：选用铅、锡、铂、钼、钛、铟、铋、BDD中的任一种材料制作所述的阴极。
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| CN113604821A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-05 | 江苏师范大学 | 一种基于超重力电还原偏硼酸钠制备硼氢化钠的装置 |
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