[發(fā)明專利]一種利用活潑金屬粉末水解制氫的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310049662.3
• 申請(qǐng)日: 2013-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN103979490A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭捷;李星國;李晨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B3/08
• 分類號(hào): C01B3/08
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氫氣制備領(lǐng)域。具體涉及一種使用金屬粉末與水反應(yīng)制備氫氣的方法。?

背景技術(shù)

氫氣是最為理想的燃料，其熱值高，燃燒產(chǎn)物清潔無污染。針對(duì)目前的燃料電池技術(shù)，氫氣是的最佳燃料，氫氣的氧化反應(yīng)和產(chǎn)物比較簡單，同樣條件下可以獲得最高的電池轉(zhuǎn)化效率和功率密度，所需的貴金屬催化劑用量小，氧化產(chǎn)物對(duì)燃料電池組件幾乎無損害。然而氫氣不便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，成為其在燃料電池應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸之一。因此可靠的氫氣供應(yīng)方式是燃料電池的重要配套技術(shù)。?

活潑金屬，如堿金屬、堿土金屬、鋁等可以與水反應(yīng)放出氫氣，這種方法制氫量相當(dāng)可觀，按照化學(xué)計(jì)量比，Mg和Al的可以制得的氫氣質(zhì)量相當(dāng)于金屬質(zhì)量的8.3%和11.1%，因此該反應(yīng)可作為一種簡便快速的氫氣制備方法。金屬粉末體積小，便于運(yùn)輸和攜帶，另一種反應(yīng)物水簡單易得，因此這種制氫方法特別適合作為便攜式燃料電池的氫源，如在行軍、戶外旅行中可攜帶一定量的金屬粉末，只要有水源，即可為便攜式燃料電池供氫。比較適合的金屬是鎂和鋁，這兩種金屬價(jià)格便宜，與水反應(yīng)放氫量大，但面臨的最大問題是與水的反應(yīng)不完全，造成產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率低。其原因在于反應(yīng)生成不溶的氫氧化物（Mg(OH)₂和Al(OH)₃）附著于金屬顆粒的表面，阻礙了金屬與水的進(jìn)一步反應(yīng)。?

解決生成氫氧化物覆蓋的方法之一是提高溶液的酸度，由于Mg(OH)₂和Al(OH)₃均易溶于酸，因此Mg、Al與酸反應(yīng)放出氫氣均十分劇烈且完全。然而提高溶液酸度會(huì)對(duì)容器造成腐蝕，此外酸液不易存儲(chǔ)和攜帶，因此Mg、Al與酸的制氫反應(yīng)并不適合作為便攜式的氫源。另一方案是對(duì)金屬顆粒進(jìn)行改性，例如通過降?低顆粒尺寸，通過球磨引入缺陷和增加活性位點(diǎn)等，但研究證明這種手段對(duì)提高制氫速率和完全性改進(jìn)不大。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種簡單有效的提高活潑金屬與水反應(yīng)速率，提高產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量的方案。本發(fā)明通過在反應(yīng)體系中引入與金屬具有相同陽離子的無機(jī)鹽，阻止反應(yīng)生成的氫氧化物附著于金屬顆粒的表面，而是在溶液中均勻分散，有效的解決了不溶氫氧化物對(duì)金屬與水反應(yīng)的阻隔問題，顯著提高了放氫速率，并可使金屬粉末與水完全反應(yīng)。?

本發(fā)明涉及原料簡單易得，制氫操作步驟簡單，與傳統(tǒng)的活潑金屬粉末與水的反應(yīng)基本相同，具體實(shí)施步驟如下：?

(1)將金屬鹽溶于水配成0.05-2mol/L的鹽溶液；?

(2)室溫下將活潑金屬粉末與步驟(1)中得到的鹽溶液混合，即可產(chǎn)生氫氣。?

上述方法步驟(1)中金屬鹽的特點(diǎn)是：1、可溶于水的強(qiáng)酸鹽，包括氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等，2、必須包含和參與反應(yīng)的金屬相同的陽離子，3、除與參與反應(yīng)的金屬相同的陽離子外，還可以包含其他種類的陽離子，4、含或不含結(jié)晶水均可。?

上述方法步驟(2)中的活潑金屬粉末在使用前應(yīng)保持在隔絕水氧的環(huán)境中，防止表面產(chǎn)生過厚的氧化層。?

上述方法步驟(2)中的活潑金屬粉末建議使用100微米或更小的顆粒以保證氫氣生成的速率。更大顆粒也可以產(chǎn)生氫氣，但是速率會(huì)變慢。?

上述方法步驟(2)中的混合方式可以是將溶液加入到活潑金屬粉末中，也可以是將活潑金屬粉末加入到溶液中，可以攪拌使溶液與活潑金屬粉末混合均勻。產(chǎn)生氫氣的速率通過控制溶液或活潑金屬粉末的加入速率來控制。?

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：?

本發(fā)明可大幅度提高金屬粉末與水反應(yīng)制氫的速率和產(chǎn)量，所需的添加劑為固體金屬鹽，便于攜帶，價(jià)格低廉，對(duì)容器不會(huì)造成明顯腐蝕，是一種簡便的便攜式制氫方法。?

本發(fā)明提供了一種簡單有效的便攜式供氫方式，將對(duì)便攜式燃料電池的應(yīng)用起到積極的效果。?

附圖說明

圖1.平均粒度1微米的Mg超細(xì)粉末與純水和不同種類的鹽溶液反應(yīng)產(chǎn)生氫氣量隨時(shí)間的變化。?

圖2.平均粒度1微米的Mg超細(xì)粉末與不同溶液反應(yīng)前后的X射線衍射圖譜；其中(a)鎂納米顆粒與1mol/L?KCl溶液反應(yīng)24h后的固體產(chǎn)物；(b)鎂納米顆粒與0.5mol/L?CuCl₂溶液反應(yīng)24h后的固體產(chǎn)物；(c)鎂納米顆粒與0.5mol/L?ZnCl₂溶液反應(yīng)24h后的固體產(chǎn)物；(d)鎂納米顆粒與0.5mol/L?MgCl₂溶液反應(yīng)30min后的固體產(chǎn)物。?

圖3(a).平均粒度1微米的Mg超細(xì)粉末的掃描電子顯微鏡照片；?