CN115231518B - 一种电离辐射分解水制备氢气方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电离辐射分解水制备氢气方法，包括以下步骤：将金属有机框架纳米颗粒分散到水中，抽真空通惰性气体除氧后密封，然后置于电离辐射源旁辐照，最后通过促进水的辐解过程产生氢气，电离辐射源用于提供产氢反应所需能量，辐解产氢反应在常温常压条件下进行，电离辐射源为高能X射线源、加速器源、γ射线源、放射性同位素源以及核废料或太空辐射源中的一种或几种。本发明整个过程只需在常温常压下进行，不排放污染物，有望被用来大规模生产氢气，流程简单，因此在工业领域具有广阔前景，在产生氢气的同时，也能利用闲置或废弃的辐射源，提高了放射源的利用率，进而使得整个过程更加的绿色环保，具有显著经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，特别涉及一种电离辐射分解水制备氢气方法。
背景技术
当今世界面临着环境污染和能源危机两大问题，新能源产业的发展是解决环境污染和能源危机的关键。氢能作为一种突出的二次能源，以其环境友好、燃烧热值高的特点引起了广泛的关注和研究。目前，开发利用氢能是解决能源问题的主要途径。氢能具有来源广、能量密度高、可储存、可再生、零噪音、零污染等优点，是唯一可用于交通、储能、发电等领域的新能源。氢能正在成为未来能源的领头羊，其长期市场规模超万亿。
传统的制氢方法主要有化石能源裂解制氢和电解水制氢。化石能源制氢成本低，但设备复杂，且过程中会产生大量CO2。另一方面，在石油资源日益短缺的趋势下，这种制氢方法仍然存在资源浪费的技术问题。水解制氢也是应用较为广泛和成熟的方法之一。只要提供特定的某种形式的能量，水就可以分解。其工艺简单，无污染，但耗电量大，对水质要求高，电解过程中产生的物质会腐蚀电极，从而导致其效率较低。因此不可能应用于海水直接电解制氢，在一定程度上限制了其应用。
因此，提供一种新的氢气制取方法并改善现有技术中工业氢气的制取过分依赖石化能源的现状是人们亟需解决的一个问题。在利用核能制氢领域，已有科研工作者做过利用核热能在不排放CO2的情况下通过热化学方法生产氢气的尝试，这些生产过程大多采用高温硫酸分解，不可避免地会产生腐蚀条件，这就要求反应容器使用耐腐蚀组件。然而，在辐射化学中，水和水溶液的辐射分解就可以在室温下产生氢而不排放CO2。因此，寻求合适的解决方案，有效地生产氢气是有必要的，以实现一个成本更低的制氢系统，既不会造成CO2排放，也不会恶化反应的组件。研究发现，当水存在于一些多孔材料或者纳米氧化物表面时，体系内辐解产生的氢气是纯水的数倍，特别的，当材料表面吸附的水仅为几个水分子层时，体系内产生的氢气相比纯水可以提升多个数量级，但是这种方法不可能用于实际应用，因为过程比较复杂且表面吸附的水很快就会蒸发。此外，当体系内含有的氧化物含量较高时，虽然产生的氢气量也较多，但是用量大，成本高，因此寻求一种更经济、高效的材料就显得非常有必要。
综上所述，在氢能技术发展过程中，高效、安全、便捷的制氢方法是业界一直在努力的方向。但是，现有的制氢方法基本上存在设备成本高、投资大、制造工艺复杂、对工况要求高，且过程中会产生大量二氧化碳等问题，亟需寻找一种新型绿色的新方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种电离辐射分解水制备氢气方法的方法。随着我国辐射源以及高能电子加速器的逐步工业化、反应堆废料的累积，进一步为这种方法提供了大量可利用的辐射源，使得该方法更具工业化前景。有鉴于此，特提出本发明。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电离辐射分解水制备氢气方法，包括以下步骤：将金属有机框架纳米颗粒分散到水中，抽真空鼓入惰性气体除氧后密封，然后置于电离辐射源旁辐照，最后通过电解法产生氢气。本发明在氢能技术发展过程中，高效、安全、便捷的制氢方法是业界一直在努力的方向。
优选的，所述电离辐射源用于提供产氢反应所需能量。
优选的，所述辐解产氢反应在常温常压条件下进行。
优选的，所述电离辐射源为高能X射线源、加速器源、γ射线源、放射性同位素源以及核废料或太空辐射源中的一种或几种。
优选的，所述电离辐射源的辐照剂量为至少为1kGy，所述辐照剂量率为8～5000Gy/min。
优选的，所述金属有机框架在水中的质量分数为0.02～20％。
优选的，所述水包括超纯水、海水、淡水和盐湖水中的任意一种。
优选的，所述金属有机框架由无机金属中心与有机配体通过配位键桥连得到，所述无机金属中心选自原子序数大于等于40的金属离子中的一种或几种，所述有机配体选自咪唑类、羧酸类、吡啶类、卟啉类中的一种或几种。
本发明的技术效果和优点：
整个过程只需在常温常压下进行，不消耗能源，且不排放污染物，有望被用来大规模生产氢气，流程简单，无需复杂大型设备，操作简单方便，因此在工业领域具有广阔前景，在产生氢气的同时，也能利用闲置或废弃的辐射源，提高了放射源的利用率，进而使得整个过程更加的绿色环保，有显著的经济效益。
附图说明
图1为本发明实验中检测到的氢气色谱结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1所示的一种电离辐射分解水制备氢气方法，
实施例1
称取1g UiO-66-Hf-OH(无机金属离子为Hf，原子序数为72；有机配体为2-羟基对苯二甲酸)纳米颗粒分到5g超纯水中(金属有机框架在水中的质量分数为20％)，转移至西林瓶中，鼓入惰性气体除氧后密封，置于钴-60辐射源旁，辐照剂量为100kGy，辐照剂量率为75Gy/min，常温常压条件下辐照。辐照结束后，取气相进行分析，根据气相色谱结果(见图1)计算出体系内产生氢气的总量为30μmol。
实施例2
称取0.01gUiO-66-Zr(无机金属离子为Zr，原子序数为40；有机配体为对苯二甲酸)纳米颗粒分到5g超纯水中(金属有机框架在水中的质量分数为0.02％)，转移至西林瓶中，鼓入惰性气体除氧后密封，置于钴-60辐射源旁，辐照剂量为1kGy，辐照剂量率为8Gy/min，常温常压条件下辐照。辐照结束后，取气相进行分析，根据气相色谱结果计算出体系内产生氢气的总量为1μmol。
实施例3
称取0.25gNU-902(SCU)(无机金属离子为Zr，原子序数为40；有机配体为四羧基苯基卟啉)纳米颗粒分到5g淡水中(金属有机框架在水中的质量分数为5％)，转移至西林瓶中，鼓入惰性气体除氧后密封，置于核废料辐射源旁，辐照剂量为70kGy，辐照剂量率为200Gy/min，常温常压条件下辐照。辐照结束后，取气相进行分析，根据气相色谱结果计算出体系内产生氢气的总量为17μmol。
实施例4
称取0.5gBi-MOF(无机金属离子为Bi，原子序数为83；有机配体为均苯甲酸)纳米颗粒分到5g盐水中(金属有机框架在水中的质量分数为10％)，转移至西林瓶中，鼓入惰性气体除氧后密封，置于加速器辐射源旁，辐照剂量为30kGy，辐照剂量率为100Gy/min，常温常压条件下辐照。辐照结束后，取气相进行分析，根据气相色谱结果计算出体系内产生氢气的总量为9μmol。
实施例5
称取0.1gYb-MOF(无机金属离子为Yb，原子序数为70；有机配体为4,4'-联吡啶)纳米颗粒分到5g超纯水中(金属有机框架在水中的质量分数为2％)，转移至西林瓶中，鼓入惰性气体除氧后密封，置于钴-60辐射源旁，辐照剂量为10kGy，辐照剂量率为5000Gy/min，常温常压条件下辐照。辐照结束后，取气相进行分析，根据气相色谱结果计算出体系内产生氢气的总量为7μmol。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种电离辐射分解水制备氢气方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属有机框架纳米颗粒分散到水中，抽真空通惰性气体除氧后密封，然后置于电离辐射源旁辐照，最后通过促进水的辐解过程产生氢气；
所述电离辐射源用于提供产氢反应所需能量；
所述电离辐射源为高能X射线源、加速器源、γ射线源、放射性同位素源以及核废料或太空辐射源中的一种或几种；
所述金属有机框架由无机金属中心与有机配体通过配位键桥连得到，所述无机金属中心选自原子序数大于等于40的金属离子中的一种或几种，所述有机配体选自咪唑类、羧酸类、吡啶类、卟啉类中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种电离辐射分解水制备氢气方法，其特征在于，辐解产氢反应在常温常压条件下进行。
3.根据权利要求1所述的一种电离辐射分解水制备氢气方法，其特征在于，所述电离辐射源的辐照剂量为至少为1kGy，所述辐照剂量率为8～5000Gy/min。
4.根据权利要求1所述的一种电离辐射分解水制备氢气方法，其特征在于，所述金属有机框架在水中的质量分数为0.02～20％。
5.根据权利要求1所述的一种电离辐射分解水制备氢气方法，其特征在于，所述水包括超纯水、海水、淡水和盐湖水中的任意一种。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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