CN113078331B - 一种制氢电池的电解液及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池电解液领域，特别是涉及一种制氢电池的电解液，包括氯化钠水溶液、离子添加剂；所述离子添加剂为阳离子添加剂或阴离子添加剂中的至少一种；所述离子添加剂用于调节制氢电池的镁阳极的反应动力学和反应产物的剥离速度；本发明提供一种制氢电池的电解液及其应用，有效提高镁水制氢电池的工作电压和稳定制氢发电性能。

Description

一种制氢电池的电解液及其应用
技术领域
本发明涉及电池电解液领域，特别是涉及一种制氢电池的电解液及其应用。
背景技术
金属-水电池以水还原析氢反应代替传统的金属-溶解氧电池的阴极氧还原反应，不仅能够发电，同时还可以有效制备氢气，实现氢电一体化。科学家们先后发明了锂-水制氢电池，锌-水制氢电池和铝-水制氢电池。然而目前的电池制氢系统还存在成本高、安全性低的问题，如Li-水制氢电池存在成本高及采用有机溶剂存在安全问题，锌-水制氢电池电压较低及其所需双极膜价格高昂等。活泼金属中，镁具有电极电位高，重量轻，理化性能好和加工成本低的优势，已被应用于金属-溶解氧海水电池的阳极材料。
但是，镁在强碱性条件下，基本不发生反应；而在酸性条件下，镁又存在着严重的自腐蚀现象，导致镁水电池的实际比电容远低于理论比电容。因此镁水电池一般采用中性NaCl或海水作为电解液，然而随着反应进行，电解液依然会持续由中性向碱性转变，导致最终反应产物为Mg(OH)2覆盖在镁电极表面，阻碍进一步反应，降低镁-水电池的性能，甚至导致反应终止。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种制氢电池的电解液及其应用，有效提高镁水制氢电池的工作电压和稳定制氢发电性能。
本发明采用如下技术方案：
一种制氢电池的电解液，包括氯化钠水溶液、离子添加剂；所述离子添加剂为阳离子添加剂或阴离子添加剂中的至少一种；所述离子添加剂用于调节制氢电池的镁阳极的反应动力学和反应产物的剥离速度。
对上述技术方案的进一步改进为，所述氯化钠水溶液的浓度为0.03～6mol/L，所述氯化钠水溶液的pH为6～12。
对上述技术方案的进一步改进为，所述氯化钠水溶液的浓度为0.03～3mol/L。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阳离子添加剂为铵根离子、钾离子、锂离子中的至少一种。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阳离子添加剂的浓度为0.01～1mol/L。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阳离子添加剂为铵根离子时，所述铵根离子的浓度为0.01～0.5mol/L。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阴离子添加剂为碳酸根、磷酸根、EDTA、阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阴离子添加剂的浓度为0.001～1mol/L。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阴离子添加剂的浓度为0.001～0.05mol/L。
一种制氢电池的电解液的应用，使用上述的制氢电池的电解液，其在镁-水制氢电池的应用。
本发明的有益效果为：
第一方面，本发明提供的电解液添加阳离子或阴离子添加剂中的至少一种，调节镁阳极的反应动力学和反应产物的剥离速度，提高镁-水制氢电池的工作电压和工作电流，提高制氢发电性能；第二方面，本发明提供的电解液能够有效剥离产物Mg(OH)2，从而缓解Mg(OH)2覆盖镁电极造成的电流制氢效率降低的问题；第三方面，镁-水制氢电池反应只消耗镁和水，反应的主要产物为固态Mg(OH)2，基本不消耗电解液，经过滤、沉降后够可回收重复使用。
附图说明
图1为本发明的制氢电池的电解液的实施例1的LSV曲线对比图；
图2为本发明的制氢电池的电解液的实施例2的LSV曲线对比图；
图3为本发明的制氢电池的电解液的实施例3的LSV曲线对比图；
图4为本发明的制氢电池的电解液的实施例4的LSV曲线对比图；
图5为本发明的制氢电池的电解液的实施例5的回收循环使用含NH4Cl的电解液的放电性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种制氢电池的电解液，包括氯化钠水溶液、离子添加剂；所述离子添加剂为阳离子添加剂或阴离子添加剂中的至少一种；所述离子添加剂用于调节制氢电池的镁阳极的反应动力学和反应产物的剥离速度。
进一步地，所述氯化钠水溶液的浓度为0.03～6mol/L，所述氯化钠水溶液的pH为6～12。
进一步地，所述氯化钠水溶液的浓度为0.03～3mol/L。
进一步地，所述阳离子添加剂为铵根离子、钾离子、锂离子中的至少一种。
进一步地，所述阳离子添加剂的浓度为0.01～1mol/L。
进一步地，所述阳离子添加剂为铵根离子时，所述铵根离子的浓度为0.01～0.5mol/L。
进一步地，所述阴离子添加剂为碳酸根、磷酸根、EDTA、阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDS)中的至少一种。
进一步地，所述阴离子添加剂的浓度为0.001～1mol/L。
进一步地，所述阴离子添加剂的浓度为0.001～0.05mol/L。
一种制氢电池的电解液的应用，使用上述的制氢电池的电解液，其在镁-水制氢电池的应用。
第一方面，本发明提供的电解液本发明提供的电解液添加阳离子或阴离子添加剂中的至少一种，调节镁阳极的反应动力学和反应产物的剥离速度，提高镁-水制氢电池的工作电压和工作电流，提高制氢发电性能，如图1所示的，通过添加0.1mol/L NH4Cl，在0.5V的工作电压条件下，电流从16mA提高到42mA，电流增加了1.6倍；第二方面，本发明提供的电解液能够有效剥离产物Mg(OH)2，从而缓解Mg(OH)2覆盖镁电极造成的电流制氢效率降低的问题；第三方面，镁-水制氢电池反应只消耗镁和水，反应的主要产物为固态Mg(OH)2，基本不消耗电解液，经过滤、沉降后够可回收重复使用。
实施例1
电解液采用1mol/L NaCl和0.1mol/L NH4Cl，采用镁合金AZ31B作为阳极，Pt/C电极作为析氢阴极，测试制氢电池的的LSV和恒电流放电曲线。图1为两种电解液的LSV曲线对比；可以看出添加0.1mol/L NH4Cl，制氢电池的工作电压和工作电流显著提高。
实施例2
电解液采用1mol/L NaCl和0.1mol/L Li2SO4,采用纯镁作为阳极，Pt/C电极作为析氢阴极，测试制氢电池的LSV曲线。图2为该电解液与1mol/L NaCl电解液的LSV对比。
实施例3
电解液采用1mol/L NaCl和0.02mol/L NH4Cl和0.1mol/L磷酸缓冲溶液(pH为7),采用镁合金AZ31B作为阳极，Mo2S电极作为析氢阴极，测试制氢电池的的LSV曲线。图3为该电解液与1mol/L NaCl电解液的LSV对比。
实施例4
电解液采用1mol/L NaCl和0.02mol/L NH4Cl和0.01mol/L EDTA,采用镁合金AZ31B作为阳极，Mo2S电极作为析氢阴极，测试制氢电池的的LSV曲线。图4为该电解液与1mol/L NaCl电解液的LSV对比。
实施例5
采用AZ31B镁合金板作为阳极，碳布负载Pt/C作为析氢阴极，1M NaCl和0.02MNH4Cl溶液作为电解液，以30mA/cm2的电流放电制氢。回收循环使用电解液，测试制氢电池的放电性能，如图5所示，可以看到制氢电池的比电容无显著变化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种制氢电池的电解液，其特征在于，包括氯化钠水溶液、离子添加剂；所述离子添加剂为阳离子添加剂或阴离子添加剂中的至少一种；所述离子添加剂用于调节制氢电池的镁阳极的反应动力学和反应产物的剥离速度；
所述阳离子添加剂为铵根离子、钾离子、锂离子中的至少一种；所述阳离子添加剂的浓度为0.01～1mol/L。
2.根据权利要求1所述的制氢电池的电解液，其特征在于，所述氯化钠水溶液的浓度为0.03～6mol/L，所述氯化钠水溶液的pH为6～12。
3.根据权利要求1所述的制氢电池的电解液，其特征在于，所述阳离子添加剂为铵根离子时，所述铵根离子的浓度为0.01～0.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的制氢电池的电解液，其特征在于，所述阴离子添加剂为碳酸根、磷酸根、EDTA、阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制氢电池的电解液，其特征在于，所述阴离子添加剂的浓度为0.001～1mol/L。
6.根据权利要求5所述的制氢电池的电解液，其特征在于，所述阴离子添加剂的浓度为0.001～0.05mol/L。
7.一种制氢电池的电解液的应用，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的制氢电池的电解液，其在镁-水制氢电池的应用。
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