CN113106485A - 一种电解水双功能电极结构 - Google Patents

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张畅
任志博
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Sichuan Huaneng Baoxinghe Hydropower Co Ltd
Sichuan Huaneng Kangding Hydropower Co Ltd
Huaneng Mingtai Power Co Ltd
Sichuan Huaneng Dongxiguan Hydropower Co Ltd
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Sichuan Huaneng Hydrogen Technology Co Ltd
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Sichuan Huaneng Taipingyi Hydropower Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种电解水双功能电极结构，包括电解催化层和合成催化层，该结构能够实现电解水蒸气和二氧化碳直接产生甲烷。

Description

一种电解水双功能电极结构
技术领域
本发明属于高温电解制氢技术领域，涉及一种电解水双功能电极结构。
背景技术
目前，电解水制氢技术主要分为三种，碱性电解水制氢技术、质子交换膜电解水制氢技术和高温电解水制氢技术。前两种电解水制氢技术，属于低温电解水技术范畴，以液态水为电解原料，电解效率相对于高温电解水制氢效率较低，高温电解水可以以水蒸气为原料，可以利用发电厂、化工厂等副产的蒸汽进行电解。
高温电解水制氢技术又包括高温熔融碳酸盐电解水制氢技术和高温固体氧化物电解水制氢技术，这两种技术如果以水蒸气为原料，其电解产物为氢气和氧气，如果以水蒸气加二氧化碳为原料，还可产生合成气和氧气。合成气作为重要的化工原料，可以进一步生产甲烷、甲醇等化工产品。
但是目前这两种技术所用的阴极材料均为单一功能电极，不能直接产出甲烷等化工产品。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种电解水双功能电极结构，该结构能够实现电解水蒸气和二氧化碳直接产生甲烷。
为达到上述目的，本发明所述的电解水双功能电极结构包括电解催化层和合成催化层。
电解催化层处，在外加电解电压时发生的反应为：
CO2+H2O＝CO+H2+O2- (1)。
电解催化层处，在外加电解电压时发生的反应为：
3CO2+H2O＝CO+H2+2CO3 2- (2)。
在合成催化层处，在电解池工作温度下发生的反应为：
CO+3H2＝CH4+H2O (3)。
电解催化层的孔隙率为20～80％，电解催化层的材质为镍、铂、铱、镍钴、镍铝、镍铬及镍铱锆中的一种或多种组合。
合成催化层包括基底材料以及附着于基底材料内部孔道中的活性物质组成；
基底材料的材质为氧化钛、氧化铝、氧化铁或偏铝酸锂；
活性物质为指铂、铑、镍或任意多种的合金；
活性物质在多孔基底材料内部孔道中的担载量为5～25％。
电解催化层的材质为镍铱锆催化剂；
合成催化层的活性组分为铂。
电解催化层的孔隙率为50％。
电解催化层的材质为镍催化剂；
合成催化层的活性组分是铂镍合金。
电解催化层的孔隙率为70％。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的电解水双功能电极结构在具体操作时，在外加电解电压下，通入二氧化碳和水蒸气发生反应，产生的CO3 2-通过电解质层传递至阳极，生成氧气和二氧化碳，然后在合成催化层的作用下生成甲烷，操作方便，便于推广及应用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图
其中，1为电解催化层1、2为合成催化层2。
具体实施方式
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
参考图1，本发明所述的电解水双功能电极结构包括电解催化层1及合成催化层2，其中，电解催化层1根据选择不同的催化剂在外加电解电压时发生如下反应中的一种：
CO2+H2O＝CO+H2+O2- (1)
3CO2+H2O＝CO+H2+2CO3 2- (2)
合成催化层2在电解池工作温度下发生如下反应：
CO+3H2＝CH4+H2O (3)
电解催化层1的孔隙率为20～80％，电解催化层1的材质为镍、铂、铱、镍钴、镍铝、镍铬及镍铱锆中的一种或多种组合。
合成催化层2包括基底材料以及附着于基底材料内部孔道中的活性物质组成；
基底材料的材质为氧化钛、氧化铝、氧化铁或偏铝酸锂；
活性物质为指铂、铑、镍或任意多种的合金；
活性物质在多孔基底材料内部孔道中的担载量为5～25％。
实施例一
本实施例将电解水双功能电极作为固体氧化物电解池的阴极使用，电解催化层1为镍铱锆催化剂，电解催化层1的孔隙率为50％，在外加电解电压1.7V时，通入二氧化碳和水蒸气发生阴极反应(1)，产生的O2-通过电解质层传递至阳极，生成氧气。
阴极产生的一氧化碳和氢气扩散至合成催化层2，合成催化层2的活性组分为铂，基底材料为氧化铝，活性组分担载量为12％。
实施例二
本实施例将电解水双功能电极作为熔融碳酸盐电解池的阴极使用，电解催化层1为镍催化剂，电解催化层1的孔隙率为70％，在外加电解电压1.65V时，通入二氧化碳和水蒸气发生阴极反应(2)，产生的CO3 2-通过电解质层传递至阳极，生成氧气和二氧化碳。阴极产生的一氧化碳和氢气扩散至合成催化层2，合成催化层2的活性组分为铂镍合金，基底材料为偏铝酸锂，活性组分担载量为8％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电解水双功能电极结构，其特征在于，包括电解催化层(1)和合成催化层(2)。
2.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)处，在外加电解电压时发生的反应为：
CO2+H2O＝CO+H2+O2- (1)。
3.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)处，在外加电解电压时发生的反应为：
3CO2+H2O＝CO+H2+2CO3 2- (2)。
4.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，在合成催化层(2)处，在电解池工作温度下发生的反应为：
CO+3H2＝CH4+H2O (3)。
5.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)的孔隙率为20～80％，电解催化层(1)的材质为镍、铂、铱、镍钴、镍铝、镍铬及镍铱锆中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，合成催化层(2)包括基底材料以及附着于基底材料内部孔道中的活性物质组成；
基底材料的材质为氧化钛、氧化铝、氧化铁或偏铝酸锂；
活性物质为指铂、铑、镍或任意多种的合金；
活性物质在多孔基底材料内部孔道中的担载量为5～25％。
7.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)的材质为镍铱锆催化剂；
合成催化层(2)的活性组分为铂。
8.根据权利要求7所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)的孔隙率为50％。
9.根据权利要求1所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)的材质为镍催化剂；
合成催化层(2)的活性组分是铂镍合金。
10.根据权利要求9所述的电解水双功能电极结构，其特征在于，电解催化层(1)的孔隙率为70％。
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