一种高效制备氢气和银化合物的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高效制备氢气和银化合物的装置及方法，所述高效制备氢气和银化合物的装置包括：金属银作为阳极；耐蚀性导电材料作为阴极；硝酸盐溶液作为阳极电解液；酸性溶液作为阴极电解液；位于阳极电解液和阴极电解液之间的阴离子交换膜；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源。极表面的外接电源。极表面的外接电源。

【技术实现步骤摘要】
一种高效制备氢气和银化合物的装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种高效制氢且同时制备银化学品的装置和方法，属于制氢


技术介绍

[0002]随着能源需求的不断增长，煤炭、石油和天然气等不可再生能源的逐渐枯竭，以及环境污染的加剧，可再生能源的开发变得迫切起来。氢能源被认为是最理想的绿色能源，它具备来源广、能量密度高、可储存、可再生、零污染等优势，目前大力发展利用氢能是解决环境污染以及能源危机的一大途径。
[0003]目前，制备氢气的几种主要方式包括煤气转化法制氢、石油和天然气蒸汽重整制氢、电解水制氢等，其中煤气转化法制氢成本最低，适用规模大，但是二氧化碳排放量最高，且所产生氢气含硫量高；石油和天然气蒸汽重整制氢的成本次之，能量转化率高达72％以上，但环保性不强；而电解水制氢可实现CO2的零排放，且通过该方法制备出的氢气的纯度可高达99％以上。
[0004]常规的电解水制氢采用20％
‑
30％的KOH水溶液作为电解液，电解过程能耗较高，通常每标准立方米氢气的电耗在5kWh以上，严重制约着电解水制氢能源技术的发展。造成电解制氢能耗高的一个基本原因是反应过程中过高的氧气析出反应(OER)过电位，这意味着必须用较高的电压才能促使反应发生。

技术实现思路

[0005]为了降低电解制氢能耗，需要从原理上寻找一种高效反应体系，来降低电解制氢反应的电动势。具体来说，本专利技术的提供了一种高效制备氢气和银化合物的装置及方法。
[0006]一方面，本专利技术提供了一种高效制备氢气和银化合物的装置，其结构如图14所示，包括：金属银作为阳极(1)；耐蚀性导电材料作为阴极(2)。硝酸盐溶液作为阳极电解液；酸性溶液作为阴极电解液；位于阳极电解液和阴极电解液之间的阴离子交换膜(5)；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源(6)。
[0007]较佳的，所述硝酸盐为硝酸钾、硝酸钠中的至少一种；所述耐蚀性导电材料选自铂、石墨和过渡金属中的至少一种(阴极导电材料不限，为耐蚀、导电即可)。
[0008]较佳的，所述硝酸盐溶液中硝酸盐的浓度不低于0.1M，优选为1M～2M。
[0009]较佳的，所述硝酸盐溶液中还包含第二溶质，所述第二溶质选自NaCl、NaBr、KCl、KBr、Na2SO4、K2SO4、Na2CO3、K2CO3、Na3PO4、K3PO4、NaOH、KOH中的一种或多种，优选为NaCl和KCl。
[0010]较佳的，所述硝酸盐溶液中第二溶质的的总浓度不超过0.1M。
[0011]较佳的，所述酸性溶液中氢离子的浓度为0.5～5M。优选地，所述酸性溶液应为盐酸、硝酸和硫酸中至少一种。
[0012]较佳的，所述高效制备氢气和银化合物的装置包括用于容纳阳极电解液的阳极反应室(3)和用于容纳阴极电解液的阴极反应室(4)，所述阴离子交换膜(5)置于阳极反应室和阴极反应室之间。
[0013]较佳的，在阴极反应室且远离阴离子交换膜的一侧，设置有第一入口(7)，用于输入阴极电解液；或/和，在阳极反应室且远离阴离子交换膜的一侧，设置有第二入口(8)，用于输入阳极电解液。
[0014]较佳的，在阴极反应室的上方，设置有第一出口(9)，用于输出H2；或/和，在阴极反应室下方，设置有第三出口(11)，用于输出阴极电解液。
[0015]较佳的，在阳极反应室的下方，设置有第二出口(10)，用于输出阳极电解液(阳极电极液中含有银化合物)。
[0016]另一方面，本专利技术还提供了一种高效制备氢气和银化合物的方法，采用上述高效制备氢气和银化合物的装置，通过外接电源输入电流或电压，实现氢气和银化合物的高效制备。
[0017]较佳的，所述电压为0.5～3V。
[0018]较佳的，所述电流为0.001～2A。
[0019]有益效果：常规电解水中的析氧反应涉及四电子转移，而银氧化反应涉及单电子转移。而本专利技术中，利用高效的银氧化反应来取代电解水过程中低效率的氧析出反应，可以达到降低电解制氢反应的电压和能耗的目的；由于银离子的氧化性高于氢离子，更容易在阴极被还原。为此，本专利技术直接选用阴离子交换膜，阻止了银离子向阴极迁移，从而使产氢法拉第效率高达99％以上；本专利技术的制氢方法使用银作为阳极，银氧化生成的银离子作为银源，通过调节电压可以控制银离子的生成速率，若在阳极区的硝酸盐溶液中添加少量的卤盐，硫酸盐，碳酸盐、磷酸盐，或氢氧化钠等，进而还可以调控银化合物的形核速率(例如卤化银，硫酸银，碳酸银、磷酸银，氧化银)，获得经济价值较高的银化合物，达到降低生产成本的目的。
附图说明
[0020]图1为实施例1阳极区所得产物的X射线衍射图；图2为实施例1所得产物的SEM图；图3为实施例1、3、4、5在三电极体系下测试得到的LSV曲线；图4为实施例1、3、4、5在三电极体系发生反应过程中银棒表面的现象；图5为实施例1在二电极体系下测试得到的LSV曲线；图6为实施例1在恒电流密度10mA
·
cm
‑2下反应1h得到的E
‑
t曲线；图7为实施例1在恒电压1.23V下反应2h得到的I
‑
t曲线；图8为实施例2在二电极体系下测试得到的LSV曲线；图9为实施例2在恒电流密度10mA
·
cm
‑2下反应1h得到的E
‑
t曲线；
图10为实施例3在二电极体系下测试得到的LSV曲线；图11为实施例3在恒电压1.23V下反应1h得到的I
‑
t曲线；图12为实施例3、6、7与对比例在三电极体系下测试得到的LSV曲线；图13为对比例1在二电极体系下测试得到的LSV曲线；图14为本专利技术制备的高效制备氢气和银化合物的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0021]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0022]在本公开中，提供了一种高效制氢且同时制备银化学品的方法。
[0023]以下示例性地说明高效制氢且同时制备银化学品的方法。
[0024]将银棒或银片作为阳极，置于阳极电解液(硝酸盐溶液或由以硝酸盐为基底的混合溶液)中。其中，硝酸盐溶液中溶质包含NaNO3和KNO3中的至少一种，浓度不小于0.1M。其中，以硝酸盐为基底的混合溶液包括：NaNO3和KNO3中的至少一种，和其他的一种或多种的第二溶质(NaCl、NaBr、KCl、KBr、Na2SO4、K2SO4、Na2CO3、K2CO3、Na3PO4、K3PO4、NaOH、KOH)。硝酸盐浓度不小于0.1M，其他第二溶质的浓度不超过0.1M。
[0025]将耐蚀性导电材料置于阴极电解液(酸性溶液)中。其中，酸性溶液可为盐酸、硝酸或硫酸中至少一种。酸性溶液的[H
+
]可为0.5～5M。
[0026]在可选的实施方式中，阳极电解液置于阳极反应室中，阴极电解液置于阴极反应室中，中间使用阴离子交换膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效制备氢气和银化合物的装置，其特征在于，包括：金属银作为阳极；耐蚀性导电材料作为阴极；硝酸盐溶液作为阳极电解液；酸性溶液作为阴极电解液；位于阳极电解液和阴极电解液之间的阴离子交换膜；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硝酸盐为硝酸钾和硝酸钠中的至少一种；所述耐蚀性导电材料选自铂、石墨和过渡金属中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述硝酸盐溶液中硝酸盐的浓度不低于0.1M，优选为1M～2M。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的装置，其特征在于，所述硝酸盐溶液中还含有第二溶质，选自NaCl、NaBr、KCl、KBr、Na2SO4、K2SO4、Na2CO3、K2CO3、Na3PO4、K3PO4、NaOH、KOH中的至少一种；所述硝酸盐溶液中第二溶质的浓度不超过0.1M。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的装置，其特征在于，所述酸性溶液中氢离子的浓度为0.5～5M；优选地，所述酸性溶液应为盐酸、硝酸和硫酸中至少一种。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：易志国，吴燕秋，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：