一种电化学制氢与提锂联产的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种电化学制氢与提锂联产的装置及方法，所述的装置包含三个电极和一个隔膜：氧化电极（100）、储锂电极（200）、制氢电极（300）以及阴离子交换膜（400）；所述的氧化电极（100）、储锂电极（200）和阴离子交换膜（400）组成反应池1，其中阴离子交换膜（400）将反应池1分开成阳极槽和阴极槽；所述的储锂电极（200）和制氢电极（300）组成反应池2；所述的反应池1和反应池2共享一个储锂电极（200）。本发明专利技术首次将电化学水分解制备氢气和电化学提取锂离子相结合，在高效提锂的同时实现了氢气制备。整个过程实现了高效率低能耗的锂离子提取和高纯氢气制备。

A device and method for co-production of electrochemical hydrogen production and lithium extraction

The invention provides a device and method for co-production of electrochemical hydrogen production and lithium extraction. The device comprises three electrodes and a diaphragm: an oxide electrode (100), a lithium storage electrode (200), a hydrogen production electrode (300) and an anion exchange membrane (400); the oxidation electrode (100), a lithium storage electrode (200) and an anion exchange membrane (400) constitute a reaction cell 1, in which anions are contained. The exchange membrane (400) separates the reaction cell 1 into an anode tank and a cathode tank; the lithium storage electrode (200) and the hydrogen production electrode (300) constitute a reaction cell 2; the reaction cell 1 and the reaction cell 2 share a lithium storage electrode (200). The invention combines electrochemical water decomposition to prepare hydrogen and electrochemical extraction of lithium ion for the first time, and realizes the preparation of hydrogen while efficiently extracting lithium. The whole process realizes high efficiency and low energy consumption lithium ion extraction and high purity hydrogen preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种电化学制氢与提锂联产的装置及方法
本专利技术属于电化学制氢和锂离子提取
，具体涉及一种电化学制氢与提锂联产的装置及方法，通过电化学的手段，实现锂离子的提取和氢气的制备。
技术介绍
氢能和锂离子电池是未来清洁能源计划的两个重要方向。氢和锂都是能量的载体元素，其获取过程必须具备较好的经济性，才能为氢氧燃料电池和锂离子电池取代以化石能源为基础的内燃机创造条件，此外氢和锂还是很重要的化学品，大规模低成本的氢气生产和锂资源高效提取具有重大意义。众所周知，随着经济的发展，能源需求的持续快速增长，传统化石能源对生态环境造成严重影响，给国家能源安全带来巨大风险。基于对环境保护、国家能源、资源安全的多重考虑，利用风能、太阳能、潮汐、地热等可再生能源，构建未来清洁社会蓝图已经成为国家战略。值得注意的是这种可再生能源增加了电网运转的成本和负荷，不利于能源的结构化利用，将可再生能源产生的电能，以最经济最有效的方式存储于元素氢和锂中，改变其现有的能源和资源转化和利用方式具有重要现实意义。氢能被认为最清洁、最便捷的化学储能方式之一。目前90%的氢是通过传统的能源裂解获得，这类反应不仅能耗高又污染环境。目前工业上制备氢气主要有水煤气法，天然气重整以及电催化水分解等主要方法，但是前两者存在温室气体排放，生产工艺复杂等问题。近年来，随着电催化材料的发展，电解水制氢在制备效率和环境友好方面表现出极大的发展潜力。因此，通过电解水的方式能够将可再生能源产生的电能转化成氢能具有非常高的研究价值。电解水制氢是有阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）两个半反应组成。目前，电催化水分解存在一些问题：（1）电解水制氢受制于高过电位、高电能消耗，当前催化性能较好的催化剂仍然是贵金属基材料，但是其高昂价格以及使用寿命制约其大规模的应用；（2）电解水过程中的OER反应动力学较为迟缓，增加电解水能耗和降低了能量转换效率。此外，直接电解水工艺还存在氢和氧混合问题，通常才贵金属催化剂除去氢气中的氧气，增加了工艺成本。另外一方面，金属锂作为一种重要的经济资源和战略资源，被誉为“21世纪的能源金属”。随着金属锂在储能电池、航天航空等现代工业领域中的广泛应用，全球锂资源的需求量不断上升，锂资源的开发成为当今各国关注的重点。因此，如何高效开发提取可利用的锂资源已成为全球都在关注和研究的热点问题。如今，可开发提取的锂资源大部分存储于各地的盐湖卤水中，全世界大约有80%的锂产品来自于盐湖卤水。我国是一个盐湖卤水锂存储量十分丰富的国家，从盐湖卤水中分离提取锂资源是我们现在最需关注和攻克的一个技术性难题。目前，常用的从盐湖卤水中提取锂的方法有蒸发沉淀法、溶剂萃取法、电渗析法、碳化法以及离子交换吸附法等等。其中，针对盐湖卤水，离子交换吸附法是一个比较有效的方法，然而，大多离子吸附剂制备困难，工艺复杂，而且提锂过程需要在酸性环境下进行，大量强酸的存在容易导致离子筛的溶损，设备侵蚀以及环境污染等各种问题。更重要的是目前传统的提锂过程中需要将电极在卤水和提取液中交替使用，使得生产很难连续，提锂效率较低。1993年，HKanoh等人提出利用电化学的方法将锂离子从锂资源溶液中回收出来。随后发展出一些在水系体系中具有优良嵌锂和脱锂性能的储锂材料，但是其存在能耗较高的问题。电解水制备氢气的过程中存在阴阳两个催化电极上产生的氢气和氧气混合的问题，增加了生产的安全问题和氢气提纯的成本。采用离子交换膜将阴阳两个催化电极分开是目前普遍采用的方法，但是这种交换膜回带来更高的成本和能耗问题。近年来，有些工作者研究采用分步电解的方式的方式将氢气和氧气分开析出，很好的实现了高纯氢气的制备，但是这都需要采用一个氧化还原的中间体，这种中间的加入增加了体系的能耗和操作的复杂程度，而且析出氧气的反应是一个纯耗能的反应，增加了整个体系的能耗。对于锂离子的提取技术，利用储锂材料用电化学的方法提取锂资源具有很好的选择性和提锂效率，但由于储锂材料提锂过程包含两个化学反应，储锂材料中锂离子的嵌入反应和锂离子的脱出反应，增加了反应的能耗和成本。为此，我们考虑到储锂材料的嵌锂和脱锂的电化学特性，将储锂材料作为一个氧化还原中间体，第一步将储锂材料的嵌锂反应和氧化反应（有机物的氧化反应或者电催化水分解的析氧反应）相耦合，实现锂离子向储锂材料中的嵌入；第二步，将储锂材料的脱锂反应和电催化水分解的析氢反应相耦合，实现锂离子的脱出和氢气的制备；整个耦合体系采用分步进行的方式在制备高纯氢气的同时实现锂离子的提取，增加能源的利用率。我们提出一种电化学制氢与提锂联产的工艺方法及装置，利用储锂电极（200）作为锂离子提取载体，结合电催化水分解的制氢电极（300）和氧化电极（100），通过两步反应，锂离子的嵌入和氧化电极上的氧化反应以及随后的锂离子脱出和析氢反应，实现了锂离子从含锂溶液（600）到提取溶液的富集，同时实现了氢气的制备。此系统可以连续进行，可以高效的实现锂离子的提取和氢气的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供一种电化学制氢与提锂联产的工艺方法及装置。本专利技术可以同时实现电化学制备氢气和锂离子的提取，具有方法简单，连续生产，低能耗特点。本专利技术不仅解决了从海水或者盐湖卤水溶液中分离、提取锂困难的问题，而且解决了传统锂离子提取过程中不连续效率低等问题。此外，此联产方法在提锂过程中实现了高纯氢气的制备，避免了电催化水分解产生的氢气和氧气混合问题。现有技术中，常规的分步析氢和锂离子的提取是两个不同的技术手段，不能达到制氢和提锂同时进行的技术效果，且现有技术的能耗很高，本专利技术实际解决的技术问题，是将这两者融合到一起，实现制氢和提锂同时进行，且实现了能耗的降低。为了解决现有技术的问题，本专利技术做了如下创造性地工作：通过提供一种构思新颖的装置，装置的各部分整体联合发挥作用，使制氢和提锂同时进行，且能耗很低。通过将氢气的析出反应与储锂材料的脱锂反应相耦合，将有机物的氧化反应或者析氧反应与储锂材料的嵌锂反应相耦合，在高纯氢气制备的同时实现锂离子的提取。通过将反应池2中的富锂态的储锂电极（200）的锂离子脱出的脱锂反应与析氢电极上氢气析出的还原反应相耦合，避免了传统水分解过程中氢气析出同时产生氧气，实现了高纯氢气的制备，解决了氢气和氧气混合的问题；通过将反应池1中的利用贫锂态的储锂电极（200）从含锂溶液（600）中提取锂反应与反应池2中的富锂态的储锂电极（200）的锂离子的脱出与氢气的析出反应交替进行，实现了同时制氢和提锂的效果。本专利技术的技术方案如下：一种电化学制氢与提锂联产的装置，所述的装置包含三个电极和一个隔膜：氧化电极（100）、储锂电极（200）、制氢电极（300）以及阴离子交换膜（400）；所述的氧化电极（100）、储锂电极（200）和阴离子交换膜（400）组成反应池1，其中阴离子交换膜（400）将反应池1分开成阳极槽和阴极槽；所述的储锂电极（200）和制氢电极（300）组成反应池2；所述的反应池1和反应池2共享一个储锂电极（200）；所述的反应池1的阳极槽中电解液为有机物水溶液（500）或者含锂溶液（600）；所述的反应池1的阴极槽中电解液为含锂溶液（600）；所述的反应池2中电解液为回收锂的清液（700）。所述的氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学制氢与提锂联产的装置，其特征在于，所述的装置包含三个电极和一个隔膜：氧化电极（100）、储锂电极（200）、制氢电极（300）以及阴离子交换膜（400）；所述的氧化电极（100）、储锂电极（200）和阴离子交换膜（400）组成反应池1，其中阴离子交换膜（400）将反应池1分开成阳极槽和阴极槽；所述的储锂电极（200）和制氢电极（300）组成反应池2；所述的反应池1和反应池2共享一个储锂电极（200）；所述的反应池1的阳极槽中电解液为有机物水溶液（500）或者含锂溶液（600）；所述的反应池1的阴极槽中电解液为含锂溶液（600）；所述的反应池2中电解液为回收锂的清液（700）。

【技术特征摘要】
1.一种电化学制氢与提锂联产的装置，其特征在于，所述的装置包含三个电极和一个隔膜：氧化电极（100）、储锂电极（200）、制氢电极（300）以及阴离子交换膜（400）；所述的氧化电极（100）、储锂电极（200）和阴离子交换膜（400）组成反应池1，其中阴离子交换膜（400）将反应池1分开成阳极槽和阴极槽；所述的储锂电极（200）和制氢电极（300）组成反应池2；所述的反应池1和反应池2共享一个储锂电极（200）；所述的反应池1的阳极槽中电解液为有机物水溶液（500）或者含锂溶液（600）；所述的反应池1的阴极槽中电解液为含锂溶液（600）；所述的反应池2中电解液为回收锂的清液（700）。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的氧化电极（100）的制备方法如下：将一定量的粘结剂加入到电极材料A（150）中搅拌均匀制备成浆料，均匀涂覆到一种耐氧化的导电基体（800）上，经过烘干得到氧化电极（100）；其中，所述的氧化电极（100）的电极材料A（150）选自下列材料中的任意一种或几种：基于Ni、Fe、Co的氧化物/氢氧化物以及其两种或多种复合材料；基于金属Ru或者金属Ir的氧化物，氢氧化物；所述的导电基体（800）选自钛网、泡沫钛、泡沫镍、碳纸、碳布、不锈钢网或者镍网。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的储锂电极（200）为可逆脱出和嵌入锂离子的储锂电极，由储锂电极（200）的电极材料B（250）、粘结剂、导电剂和导电基体（800）为原料制备而成，制备方法如下：将电极材料B（250）、粘结剂和导电剂，按照一定重量比混合均匀后涂覆到导电基体（800）上，并在表面添加阳离子交换膜成分形成储锂电极（200）；所述的储锂电极（200）的电极材料B（250）为锰酸锂、磷酸亚铁锂、钴酸锂、钛酸锂或镍钴锰酸锂或其与石墨烯的复合材料；所述的粘结剂为聚四氟乙烯或阳离子交换膜材料中的一种或几种；所述的导电剂为乙炔黑或者炭黑；所述的导电基体（800）选自钛网、泡沫钛、泡沫镍、碳纸、碳布、不锈钢网或者镍网。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的制氢电极（300）的制备方法如下：将一定量的粘结剂加入到电极材料C（350）中搅拌均匀制备成浆料，均匀涂覆到导电基体（800）上，经过烘干得到制氢电极（300）；其中，所述的制氢电极（300）的电极材料C（350）选自下列材料中的任意一种或几种：基于金属Pt以及Pt基复合物；基于金属Ru、Pd、Rh或Ir的单质或者化合物；基于Ru、Ir金属单原子与石墨烯的复合物；基于过渡金属金属Ni，Co，Fe，Mo、W、Mn、Cr、Zn、Ti、V的氧化物、氢氧化物、碳化物、硫化物、磷化物或者氮化物；基于过渡金属合金：Ni、Fe、Co、Zn、Cr、Mo、W、Sn等二元、三元或过渡金属合金再与贵金属复合；所述的导电基体（800）选自钛网、泡沫钛、泡沫镍、泡沫铜、碳纸、碳布、不锈钢网或者镍网。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的有机物水溶液（500）选自甲醇、乙醇、苯甲醇、糖醇、亚甲基蓝以及糖醛中的任意一种的水溶液。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的含锂溶液（600）选自含有锂资源的盐湖卤水、海水、废旧锂离子电池回收溶液以及其他含有锂离子的水溶液。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的回收锂的清液（700）选自氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂、硫酸锂和乙酸锂中的一种或者几种混合的水溶液，还包括氯化镁、氯化钙、氯化钠、氯化钾以及硝酸钾中的一种或者几种混合的水溶液。8.采用如权利要求1-7任意一项装置进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张会刚，钟成林，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32