本发明专利技术涉及一种高效制备氢气和卤化银的装置及方法，所述高效制备氢气和卤化银的装置包括：含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液作为电解液；分布在电解液中的阳极和阴极；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源；所述阳极为金属银；所述阴极为耐蚀性导电材料。所述阴极为耐蚀性导电材料。所述阴极为耐蚀性导电材料。
【技术实现步骤摘要】
一种高效制备氢气和卤化银的装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种稳定高效制氢且同时获得卤化银的装置和方法，属于制氢领域。
技术介绍
[0002]随着环境污染和能源危机的加剧，寻求可替代化石燃料的新能源已经成为一个研究热点。在众多的新能源中，氢能作为21世纪最理想的能源之一，具有来源广、能量密度高、可储存、可再生、零污染等优势。
[0003]目前超过90％的氢都来自化石燃料转化，制氢过程不环保、制氢效率低等问题使得现有的制氢方法难以满足未来氢能经济对氢气的大规模需要。而电解水技术产氢，可实现CO2的零排放，约占全世界4％～5％的氢气生产量。目前商品化的水电解制氢装置的操作压力为0.8至3Mpa，操作温度80至90℃，能效在72％～82％之间，制氢纯度高达99.7％。折算下来，制氢成本相当于30～40元/kg。由于价格因素影响，仅限于应用在对氢气纯度要求较高的精密电子器件制造行业。
[0004]电解水制氢价格高的因素主要有以下几点：(1)阳极和阴极均产生气体，为防止气体混合，通常使用隔膜将其隔开，隔膜通常采用价格昂贵的离子交换膜，在运行过程中，隔膜容易堵塞和损坏，水预处理要求高，且需要经常冲洗，从而导致生产效率低，设备制造和运行成本高；(2)反应过程中具有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，导致电解过程能耗较高。
技术实现思路
[0005]为解决电解水制氢价格高昂的问题，需要从原理上设计一种高效反应体系，来降低反应过程中的高电动势以及较高的生产成本。为此，本专利技术提供了一种高效制备氢气和卤化银的装置及方法。
[0006]一方面，本专利技术提供了一种高效制备氢气和卤化银的装置，包括：含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液作为电解液；分布在电解液中的阳极(1)和阴极(2)；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源(5)；所述阳极为金属银；所述阴极为耐蚀性导电材料(例如铂，石墨棒，过渡金属或其复合材料等)。通常情况下，银离子比氢离子更容易在阴极还原从而阻碍产氢，或在Ag电极表面生成难溶固体(如氯化银)阻碍反应进行，使得反应不可持续。本专利技术特地通过调控卤族元素离子的浓度，使银离子与卤族元素结合生成难溶固体，抑制银离子向阴极迁移，且难溶固体在电极附近产生，而不是在电极表面，可以防止“银离子逐渐在阴极析出阻碍出氢气，或在阳极表面生成难溶产物阻止反应进行”。
[0007]较佳的，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(具体材料不限，这些只是例举)；所述含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液中卤族元素离子选自Cl
‑
和Br
‑
中的至少一种。
[0008]较佳的，所述电解液中硝酸的浓度为0.5M～6M，优选为1M～2M。
[0009]较佳的，所述电解液中卤族元素离子的浓度为1mM～0.1M，优选为0.01M～0.05M。
[0010]较佳的，所述装置还包括用于容纳电解液的壳体。
[0011]又，较佳的，在靠近阴极的壳体的一侧，设置有第一入口(3)，用于输入硝酸溶液；或/和，在靠近阳极的壳体的一侧，设置有第二入口(4)，用于不断补充卤族元素离子溶液。
[0012]又，较佳的，在靠近阴极的壳体的上方，设置有第一出口(6)，用于输出H2；或/和，在壳体的下方，设置有第二出口(7)，用于输出电解液。
[0013]另一方面，本专利技术还提供了一种高效制备氢气和卤化银的方法，采用权利要求1
‑
7中任一项所述的高效制备氢气和卤化银的装置，通过外接电源输入电流或电压，实现氢气和卤化银的高效制备。
[0014]较佳的，所述电压为0～3V。
[0015]较佳的，所述电流为0.001～2A。
[0016]有益效果：
[0017]本专利技术中的制氢方法具有简单、高效和低耗电的优点，析氧反应涉及四电子转移，而银氧化反应为单电子转移，本专利技术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，降低了电解制氢反应的电压和能耗，是对常规电解水制氢的良好改进。
[0018]银离子相较于氢离子而言，更容易在阴极上被还原，而在溶液中添加了微量的卤族元素离子之后，银离子与卤族元素离子生成的卤化银为难溶化合物，可阻止Ag
+
向阴极区迁移，使产氢法拉第效率高达95％以上。
[0019]本专利技术中的制氢方法可大大的降低生产成本，常规电解水制氢反应过程中阳极产生氧气，阴极产生氢气，为避免气体碰撞，中间需添加隔膜，隔膜通常采用价格昂贵的离子交换膜，而本专利技术中阳极生成卤化银，阴极产生氢气，中间无需使用隔膜。
[0020]另外，通过调节电压，也可调节卤化银的晶粒尺寸，使其在高效制取氢气的同时，还可获得经济价值较高的卤化银。当施加电压后，银氧化生成的银离子作为银源，与溶液中的卤族元素离子结合，调节电压可调节银离子的生成速率，银离子的生成速率决定卤化银的形核速率，进而可以调节卤化银的晶粒大小。
附图说明
[0021]图1为实施例1、2、3、4、5在三电极体系下的LSV曲线；图2为实施例1在二电极体系下的LSV曲线；图3为实施例1在恒电流密度10mA
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cm
‑2下反应3h得到的E
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t曲线；图4为实施例1在恒电流密度250mA
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‑2下反应20min得到的E
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t曲线；图5为实施例1阳极区所得产物的X射线衍射图；图6为实施例1阳极区所得产物的SEM图；图7为实施例6在二电极体系下的LSV曲线；图8为实施例6在在恒电流密度10mA
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cm
‑2下反应1h得到的E
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t曲线；图9为实施例6阳极区所得产物的X射线衍射图；图10为实施例6阳极区所得产物的SEM图；图11为实施例7在二电极体系下的LSV曲线；
图12为实施例7在恒电流密度10mA
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‑2下反应3h得到的E
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t曲线；图13为实施例7在恒电流密度250mA
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‑2下反应20min得到的E
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t曲线；图14为对比例1在三电极体系下的LSV曲线；图15为对比例1在二电极体系下的LSV曲线；图16为实施例1和对比例2在反应过程中阴极铂片的现象；图17为本专利技术高效制备氢气和卤化银的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0022]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。
[0023]在本专利技术中，利用高效制备氢气和卤化银的装置(参见图17)可以实现稳定高效制氢且同时获得卤化银。
[0024]将银棒或者银片连接电源的正极，耐蚀性导电材料连接电源的负极，置于含有硝酸和一定浓度的卤族元素离子的电解质溶液(简称电解液)中。在可选的实施方式中，卤族元素离子为Cl
‑
、Br
‑...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高效制备氢气和卤化银的装置，其特征在于，包括：含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液作为电解液；分布在电解液中的阳极和阴极；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源；所述阳极为金属银；所述阴极为耐蚀性导电材料。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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；所述含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液中卤族元素离子选自Cl
‑
和Br
‑
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，所述电解液中硝酸的浓度为0.5M～6M，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，所述电解液中卤族元素离子的浓度为1mM～0.1M，优选为0.01M～0.05M。5.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：
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