一种电化学制氢工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种电化学制氢工艺，采用电解反应装置电解水产出氢气；电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极；阳极工作电极中存在阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁和氢氧化钠亚铁中的至少一种；且在电解水时，电解池中添加有还原性糖类物质。本发明专利技术将还原性糖类作为反应底物，在阳极工作电极发生化学链氧化还原反应，当该反应取代析氧反应并与析氢反应相结合时，可以在低电位下实现高效制氢。同时，与氧析出反应相比，化学链氧化反应不仅可以在较低的电位下发生，而且还能避免氧气的生成，从源头消除安全隐患。

【技术实现步骤摘要】
一种电化学制氢工艺
本专利技术属于氢能源领域，具体涉及一种电化学制氢工艺。
技术介绍
氢气具有能量密度高、无毒、环保等优点，是一种很有发展前景的可再生能源。目前，电催化裂解水已成为电化学制氢的主要商业化方法之一。现有技术中一般通过电解反应装置对水进行直接电解，众所周知，电解水是由两个半反应组成，包括析氢反应和析氧反应，在电解水反应中，析氧反应是四电子转移反应，反应历程复杂，需要较高电位驱动(大于1.23V)，因此，析氧反应是整个电解水反应的速率控制步骤，也是关键的能耗反应。由于上述两种反应之间的电位差较大，整个电化学制氢的耗电量较大，从而制约了电化学制氢的发展。因此，研究低成本、高效、安全的电解水制氢方法是当前研究的热点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服
技术介绍
中传统电化学制氢工艺耗电量过大的不足和缺陷，提供一种可显著降低氧化电位和整体生产能耗的电化学制氢工艺。本专利技术解决技术问题采用的技术方案为：一种电化学制氢工艺，具体步骤为：采用电解反应装置电解水产出氢气；电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极；阳极工作电极中存在阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；且在电解水时，电解池中添加有还原性物质。上述技术方案的设计思路在于，为了解决
技术介绍
中提到的阳极氧化电位过高、两极反应电位差过大导致的电化学制氢工艺耗电量大、成本高的问题，现有技术一般通过利用生物质氧化来降低阳极氧化电位，其作用原理是，生物质的电化学氧化的过程能够产生较低的阳极氧化电位，但专利技术人经研究后发现，电极材料及其催化层中某些金属元素的电氧化过程往往能够产生比常规生物质氧化更低的阳极氧化电位，然而这些金属元素从低价态到高价态的氧化过程通常是不连续的，使得催化剂的电化学性能将不断下降，因此无法有效解决阳极氧化电位过高的问题；而本专利技术通过在电解水时向电解池中添加还原性物质，可将催化剂中已电化学氧化的金属元素还原至原始价态，保证了催化剂中金属元素得以不断氧化，使得整个化学链氧化反应连续进行，从而取代析氧反应，从根本上改变了阳极反应机理，降低电解电压，从而提高电能利用效率，减少电解制氢的能耗和成本。将上述原理以铜基催化剂为例进行说明：铜(Cu)基催化剂材料由于导电性好、成本较低等优点已被应用广泛，Cu(I)电化学氧化成Cu(II)的过程能够产生较低的阳极氧化电位(小于1.0V)，但此氧化过程是不连续的，随着Cu(I)不断氧化为Cu(II)，溶液中的一价铜离子不断被消耗，使得催化剂电化学性能变差。而本专利技术添加的还原性物质能将Cu(II)还原为Cu(I)，从而使得Cu基化学链氧化反应连续，当该反应取代析氧反应并与析氢反应相结合时，即可实现在低电位下高效制氢。一种电化学制氢工艺，具体步骤为：采用电解反应装置电解水产出氢气；电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极，且阴极工作电极与阳极工作电极通过隔膜隔开；阳极工作电极中存在阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；且在电解水时，阳极电解池中添加有还原性物质。本技术方案的原理与上述技术方案相同，由于隔膜将电解池分成了阳极和阴极电解池，而催化剂的金属化学链氧化反应在阳极发生，因此还原性物质需添加至阳极电解池中。作为上述技术方案的进一步优选，阳极催化剂层的材料包括氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁和氢氧化钠亚铁中的至少一种。作为上述技术方案的进一步优选，还原性物质为还原性糖类或醛类物质，还原性糖类包括葡萄糖、果糖、核糖、阿拉伯糖、赤藓糖、甘油醛、乳糖、麦芽糖和乙醛糖中的至少一种。专利技术人发现还原性糖在室温下对本专利技术技术方案中的化学链氧化的效果明显，这可能是由于还原性糖类具有游离的醛基或者酮基，易形成半缩醛羟基，具有还原作用；而对于其他具有还原性的物质，比如醛类等，专利技术人同样进行了测试，发现需要在温度较高(60～80℃)的情况下才能发生反应，工艺条件更加苛刻，且无法实现能耗的有效控制。本优选方案中的还原性糖类是分别从具有2～6个碳的单糖以及二糖中选择的可常见的还原性糖，具有一定代表性，相对来说，价格便宜，容易获得。作为上述技术方案的进一步优选，还原性糖类的添加浓度小于200mM。专利技术人发现，随着还原性糖类浓度升高，大于200mM时，电流密度并没有很明显的提高，因此综合考虑下，限定还原性糖类的浓度低于200mM。作为上述技术方案的进一步优选，在电解水时，电解池中还添加有浓度为0.01M～2.0M的电解液。电解液浓度超出范围容易造成电极材料的不稳定，甚至会使电极溶解。作为上述技术方案的进一步优选，在电解水时，电解电压设置为0.5V～1.5V。由于本专利技术中的化学链氧化反应发生在相对于氢电极1.0V以下，因此电势区间在相对于氢电极0.5V～1.5V之间更有利于整体电解工艺的进行。作为上述技术方案的进一步优选，在电解水时，电解温度设置为20℃～60℃。专利技术人研究发现电解温度过低会影响葡萄糖对氢氧化铜的还原效果，同时温度也不宜太高，否则会造成电极材料的不稳定性，而使化学链反应中断。作为上述技术方案的进一步优选，电解水的过程在搅拌条件下完成，搅拌速度为0～600rpm。当外加电压增大时，电极表面周围的离子浓度会迅速降低，此时电流密度主要受离子从溶液本体向电极表面的扩散速度决定，搅拌速度越大，离子的扩散速度越大，电流密度越高。作为上述技术方案的进一步优选，阴极工作电极和阳极工作电极的基底材料均包括泡沫铜、泡沫镍、泡沫钴、泡沫铁、碳纸、碳布、碳毡、钛片和钛网中的至少一种。本优选方案选择了活性面积比较大的三维基底材料，以获得更高的电流密度。作为上述技术方案的进一步优选，阴极工作电极中存在阴极催化剂层，阴极催化剂层的材料包括铂、碳、铁、铜、镍和钴中的至少一种。阴极发生析氢反应，阴极催化剂层的材料的选择影响阴极的电催化活性，对本工艺的产氢具有影响，上述优选的催化剂层材料可使电解过程具备更佳的效率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术将还原性糖类作为反应底物，在阳极工作电极发生化学链氧化还原反应，当该反应取代析氧反应并与析氢反应相结合时，可以在低电位下实现高效制氢。同时，与氧析出反应相比，化学链氧化反应不仅可以在较低的电位下发生，而且还能避免氧气的生成，从源头消除安全隐患。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1为实施例1中阳极催化剂层的材料氢氧化铜的形貌图；图2为实施例1的电极材料的X射线光电子能谱；图3为实施例1中电化学制氢工艺的线性扫描伏安曲线；图4为实施例8中电化学制氢工艺的线性扫描伏安曲线；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学制氢工艺，采用电解反应装置电解水产出氢气；所述电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极；其特征在于，所述阳极工作电极中存在阳极催化剂层，所述阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；在电解水时，电解池中添加有还原性物质。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学制氢工艺，采用电解反应装置电解水产出氢气；所述电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极；其特征在于，所述阳极工作电极中存在阳极催化剂层，所述阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；在电解水时，电解池中添加有还原性物质。


2.一种电化学制氢工艺，采用电解反应装置电解水产出氢气；所述电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极，且阴极工作电极与阳极工作电极通过隔膜隔开；其特征在于，所述阳极工作电极中存在阳极催化剂层，所述阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；在电解水时，阳极电解池中添加有还原性物质。


3.根据权利要求1或2所述的电化学制氢工艺，其特征在于，所述阳极催化剂层的材料包括金属镍、金属铜、氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁和氢氧化钠亚铁中的至少一种。


4.根据权利要求1或2所述的电化学制氢工艺，其特征在于，所述还原性物质为还原性糖类，所述还原性糖类包括葡萄糖、果糖、核糖、阿拉伯糖、赤藓糖、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怡琼，黄玉，赵思源，杨家栋，周波，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43