CN115216793B - 一种间接电解水制氢的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种间接电解水制氢的装置和方法，装置包括电解槽和气泵，电解槽内的滑轨上安装有可滑动的阴极和阳极，阴极和阳极连接有极振动装置，气泵的进气端与氢气出口连通，出气端与气动搅拌装置连通，本发明基于铜催化甲醛裂解超量析氢现象，间接电解水无析氧的方法制氢，在整个水电解过程中，甲醛在阴极还原成甲醇并放出氢气，甲醇在阳极氧化成甲醛，从而构成了一个氧化还原反应的循环过程，解决现有电解水制氢方法中由析氧反应所引发的一系列问题。
Description
技术领域
本发明属于电化学领域，具体涉及一种间接电解水制氢装置和方法。
背景技术
开发清洁可再生能源，是解决能源与环境问题的有效途径之一。目前化石燃料反应制氢约占全世界制氢量的95%，电解水约占4%，后者更符合能源的可持续发展。但因电解水产氢存在能耗过大、成本过高、析氢过电位高等问题，该技术尚不能广泛应用到工业领域。电解水制氢过程需要使用制氢及制氧催化剂，通过提高催化剂的活性，可以降低阴极制氢及阳极制氧的过电势，从而降低电解水制氢的能耗。传统电解水同时产生氢气和氧气，阳极需要有析氧反应的发生，然而析氧反应会给电解水带来难以克服困难：一是氢气和氧气的混合物容易造成爆炸；二是活性氧的存在会损坏催化剂表面结构从而降低催化效率；三是人们对析氧反应催化剂研究不够，导致整个水电解效率被析氧反应严重拉低，且氧气作为产物它的价值远低于氢气。
发明内容
为了克服现有技术中电解水制氢方法中由析氧反应所引发的一系列问题的不足，本发明提供一种无析氧反应的间接电解水制氢的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种间接电解水制氢的装置，包括电解槽和气泵，所述电解槽设置有氢气出口，所述电解槽内设置有滑轨，所述滑轨上安装有可滑动的阴极和阳极，所述阴极和阳极分别与电源（直流电源）的负极和正极电连接，所述阴极连接有阴极振动装置，所述阳极连接有阳极振动装置；所述电解槽内的底部安装有气动搅拌装置，所述气泵的进气端与所述氢气出口连通，出气端与所述气动搅拌装置连通。
所述阴极可以由金属铜（纯铜）制成，也可以由金属铜与Ni、Sn、P、O、S、N、C、Fe、Zn、Si、Ag、Pt、Au、Mn元素中的一种或两种以上的金属元素即铜合金制成，阴极的形状可以是棒状、块状、片状、粉末状、海绵状和泡沫状等不同形态。
所述阳极可以由金属镍制成，也可以由金属镍与Cu、Sn、P、O、S、N、C、Fe、Zn、Si、Ag、Pt、Au、Mn元素中的一种或两种以上金属元素即镍合金制成，阳极的形状可以是棒状、块状、片状、粉末状、海绵状和泡沫状等不同形态。
一种采用上述装置的制氢方法，该方法如下：
激活电极催化活性
（a）、将阴极在微蚀液中浸泡30-120s，然后用去离子水清洗干净；所述的组分及质量为：硫酸1-10%、过氧化氢1-10%，其余为纯水。
（b）、将阳极在稀盐酸溶液中浸泡10-120s，然后用去离子水清洗干净；稀盐酸溶液质量浓度百分比为5-10%。
电解制氢
将阴极和阳极放入装有电解液的电解槽中，调整阴极和阳极距离，然后接通电源，阴极在阴极振动装置的带动下振动，阳极在阳极振动装置的带动下振动，气泵工作带动气动搅拌装置进行搅拌；电解液为含有甲醛和甲醇的NaOH或KOH碱性溶液。初始状态时，甲醛的浓度为0.5至3mol•L－1，甲醇浓度为0.5至3mol•L－1，电解液的pH值大于11；电源的电压0.6V-1.5V。
气动搅拌装置能够将电解液搅拌混分混合，阴极用于催化甲醛裂解产生氢原子，甲醛裂解后的中间产物在外电路作用下在其表面还原成甲醇，氢原子和水在外电路作用下产生氢氧根离子和氢气并溢出。阳极用于催化甲醇在其表面氧化成甲醛，通过气动搅拌装置又重新回到阴极发生裂解反应和析氢反应，裂解反应的中间产物又被还原成甲醇，经过气动搅拌装置又回到阳极，从而构成了一个氧化还原反应的循环过程，期间不断有氢气析出，析出的氢气一部分通过氢气出口排出被收集，另一部分通过气泵及气动搅拌装置回到电解液中，一方面给气动搅拌装置提供动力搅拌电解液，促使电解液中各组分分布均匀，另一方面促使阴极产生的氢气泡脱离阴极。在整个水电解过程中，甲醛在阴极还原成甲醇并放出氢气，甲醇在阳极氧化成甲醛，从而构成了一个氧化还原反应的循环过程。
运行维护
（a）、在产氢效率显著降低（产氢气量降到正常量的七成以下认为效率显著降低）后，重复激活电极催化活性的步骤（a）、（b），重新激活阴极和阳极的催化活性。
（b）、电解液的pH值低于11时补加碱性物质提高pH值为13以上。
（c）、当甲醛或甲醇浓度低于0.1mol·L－1 补加至初始状态。
本发明的有益效果是：本发明基于铜催化甲醛裂解超量析氢现象，间接电解水无析氧的方法制氢，阴极催化甲醛裂解产生氢原子，甲醛裂解后的中间产物在外电路作用下还原成甲醇，氢原子和水在外电路作用下产生氢氧根离子和氢气并溢出，阳极催化甲醇氧化成甲醛，析出的氢气一部分通过氢气出口排出被收集，另一部分通过气泵及气动搅拌装置回到电解液中，一方面给气动搅拌装置提供动力搅拌电解液促使电解液中各组分分布均匀，另一方面促使阴极产生的氢气泡脱离阴极。在整个水电解过程中，甲醛在阴极还原成甲醇并放出氢气，甲醇在阳极氧化成甲醛，从而构成了一个氧化还原反应的循环过程，解决现有电解水制氢方法中由析氧反应所引发的一系列问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的间接电解水制氢的装置结构示意图。
具体实施方式
参照图1，一种间接电解水制氢的装置，包括电解槽1和气泵7（由外置的直流电源供电），所述电解槽1的上部侧壁或顶部设置有氢气出口8，所述电解槽1内设置有滑轨2，所述滑轨2上安装有可滑动的阴极3和阳极4，所述阴极3和阳极4分别与电源5（直流电源）的负极和正极电连接，所述阴极3连接有阴极振动装置9，所述阳极4连接有阳极振动装置10；滑轨2是固定安装在电解槽1内的，阴极3和阳极4可以以可滑动的方式与滑轨2连接，然后阴极3和阳极4再分别与阴极振动装置9和阳极振动装置10连接，也可以是阴极振动装置9和阳极振动装置10与滑轨2以可滑动的方式连接，然后阴极3和阳极4分别与阴极振动装置9和阳极振动装置10固定连接。阴极振动装置9和阳极振动装置10也可以为一个整体，即一个振动装置，也可以为分体的。
所述电解槽1内的底部安装有气动搅拌装置6，所述气泵7的进气端与所述氢气出口8连通，出气端与所述气动搅拌装置6连通，气动搅拌装置6的排气口也位于电解槽1内的电解液中，氢气出口8可以为一个，具有两个分支，一个分支为氢气收集接口，另一个与气泵7的进气端连通的循环接口，也可以设置独立的两个，一个为氢气收集接口，另一个为与气泵7的进气端连通的循环接口。
制备方法实施例1：
采用如图1所示的装置，阴极采用纯铜制备面积约为10cm2，阳极采用纯镍制备面积约为5cm2，电解液由0.5mol·L－1甲醛和0.5mol·L－1甲醇组成，并用NaOH调整溶液pH值到14。阴极在1%硫酸、10%过氧化氢和89%纯水组成的微蚀液中浸泡60s，然后用去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中；阳极在10%稀盐酸溶液中浸泡10s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中。接通电源，维持电压在1V左右，阴极和阳极振动频率为120Hz，气泵工作带动气动搅拌装置搅拌（搅拌速度没有要求）。甲醛在碱性水溶液绝大部分中以CH2(OH)O-形式存在，在阴极区CH2(OH)O-会吸附在阴极表面形成[CH2(OH)O-]吸附，然后发生裂解反应生成[CH2OO-]吸附和[H]吸附，其中[CH2OO-]吸附在阴极电流和水的作用下生成CH3OH，而[H]吸附在阴极电流和水的作用下生成氢气。在阳极区CH3OH吸附在阳极表面形成[CH3OH]吸附并在氢氧根离子和阳极电流的作用下发生氧化反应生成CH2(OH)O-，经过搅拌CH2(OH)O-重新回到阴极区。由电解槽所通过的电量计算库伦效率高达82.4%，对产生的气体进行纯度分析，结果表明完全没有氧气生成。
制备方法实施例2：
采用如图1所示的装置，阴极采用纯铜制备面积约为10cm2，阳极采用纯镍制备面积约为5cm2，电解液由3mol·L－1甲醛和3mol·L－1甲醇组成，电解液pH值由KOH调整到12。阴极在10%硫酸和1%过氧化氢组成的微蚀液中浸泡120s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中；阳极在5%稀盐酸溶液中浸泡120s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中。接通电源，维持电压在0.6V左右，电极摆动频率为120Hz，气泵工作带动气动搅拌装置搅拌。由电解槽所通过的电量计算库伦效率高达85.1%，对产生的气体进行纯度分析，结果表明完全没有氧气生成。
制备方法实施例3：
采用如图1所示的装置，阴极采用纯铜制备面积约为10cm2，阳极采用纯镍制备面积约为5cm2，电解液由1.8mol·L－1甲醛和1.8mol·L－1甲醇组成，电解液pH值由NaOH调整到13。阴极在5%硫酸和5%过氧化氢组成的微蚀液中浸泡65s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中；阳极在7.5%稀盐酸溶液中浸泡65s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中。接通电源，维持电压在0.8V左右，电极摆动频率为120Hz，气泵工作带动气动搅拌装置搅拌。由电解槽所通过的电量计算库伦效率高达80.2%，对产生的气体进行纯度分析，结果表明完全没有氧气生成。
制备方法实施例4：
采用如图1所示的装置，阴极采用纯铜制备面积约为10cm2，阳极采用纯镍制备面积约为5cm2，电解液由1mol·L－1甲醛和2mol·L－1甲醇组成，电解液pH值由NaOH调整到13。阴极在10%硫酸和5%过氧化氢组成的微蚀液中浸泡30s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中；阳极在10%稀盐酸溶液中浸泡10s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中。接通电源，维持电压在1.2V左右，电极摆动频率为120Hz，气泵工作带动气动搅拌装置搅拌。由电解槽所通过的电量计算库伦效率高达78.4%，对产生的气体进行纯度分析，结果表明完全没有氧气生成。
制备方法实施例5：
采用如图1所示的装置，阴极采用纯铜制备面积约为10cm2，阳极采用纯镍制备面积约为5cm2，电解液由2mol·L－1甲醛和1mol·L－1甲醇组成，电解液pH值由NaOH调整到13。阴极在10%硫酸和5%过氧化氢组成的微蚀液中浸泡30s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中；阳极在10%稀盐酸溶液中浸泡10s，去离子水冲洗，安装到电解槽上浸入电解液中。接通电源，维持电压在1.5 V左右，电极摆动频率为120Hz，气泵工作带动气动搅拌装置搅拌。由电解槽所通过的电量计算库伦效率高达70.4%，对产生的气体进行纯度分析，结果表明完全没有氧气生成。
以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。
Claims (6)
1.一种间接电解水制氢的制氢方法，采用的间接电解水制氢装置包括电解槽和气泵，所述电解槽设置有氢气出口，所述电解槽内设置有滑轨，所述滑轨上安装有可滑动的阴极和阳极，所述阴极和阳极分别与电源的负极和正极电连接，所述阴极连接有阴极振动装置，所述阳极连接有阳极振动装置；所述电解槽内的底部安装有气动搅拌装置，所述气泵的进气端与所述氢气出口连通，出气端与所述气动搅拌装置连通；
其特征在于制氢方法如下：
激活电极催化活性
（a）、将阴极在微蚀液中浸泡30-120s，然后用去离子水清洗干净；所述微蚀液的组分及质量为：硫酸1-10%、过氧化氢1-10%，其余为纯水；
（b）、将阳极在稀盐酸溶液中浸泡10-120s，然后用去离子水清洗干净；稀盐酸溶液质量百分比为5-10%；
电解制氢
将阴极和阳极放入装有电解液的电解槽中，然后接通电源，阴极和阳极振动，气泵工作带动气动搅拌装置进行搅拌；电解液为含有甲醛和甲醇的碱性溶液；初始状态时，电解液中甲醛的浓度为0.5至3mol•L－1，甲醇浓度为0.5至3mol•L－1，电解液的pH值大于11；电源的电压0.6V-1.5V；
运行维护
（a）、在产氢效率显著降低后，重复激活电极催化活性步骤（a）、（b），重新激活阴极和阳极的催化活性；
（b）、电解液的pH值低于11时补加碱性物质提高pH值为13以上；
（c）、当甲醛或甲醇浓度低于0.1mol·L－1 补加至初始状态。
2.根据权利要求1所述的间接电解水制氢的制氢方法，其特征在于所述阴极由金属铜制成。
3.根据权利要求1所述的间接电解水制氢的制氢方法，其特征在于所述阴极由金属铜与Ni、Sn、P、O、S、N、C、Fe、Zn、Si、Ag、Pt、Au、Mn元素中的一种或两种以上制成。
4.根据权利要求1所述的间接电解水制氢的制氢方法，其特征在于所述阳极由金属镍制成。
5.根据权利要求1所述的间接电解水制氢的制氢方法，其特征在于所述阳极由金属镍与Cu、Sn、P、O、S、N、C、Fe、Zn、Si、Ag、Pt、Au、Mn元素中的一种或两种以上制成。
6.根据权利要求1所述的间接电解水制氢的制氢方法，其特征在于所述碱性物质为NaOH或KOH。
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