[發(fā)明專利]常溫常壓下電催化深度脫除氫氣中氧氣得到高純度氫氣的方法

有效

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• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113460964B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張健;安思盈
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C01B3/58
• 分類號: C01B3/58;B01D53/32;C25B11/032;C25B11/052;C25B9/19
• 代理公司: 西安凱多思知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種常溫常壓下電催化深度脫除氫氣中氧氣得到高純度氫氣的方法，采用氣體擴散電極電解池，將催化劑噴涂到氣體擴散層基底上(包括導(dǎo)電碳紙和催化劑等)制備氣體擴散電極，陰陽極間用離子交換膜隔離。反應(yīng)氣體中含有一定濃度的氧氣雜質(zhì)，采用三電極或兩電極體系恒電壓法進行電化學(xué)性能測試，連續(xù)深度脫除含雜氫氣中的氧氣雜質(zhì)。采用本發(fā)明的方案，通過調(diào)控合適的電壓范圍，氧氣的剩余濃度可降低至1ppm以下，氫氣的純度達(dá)到99.9999％以上。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該法可在常溫常壓下高效地將氫氣中的氧氣還原去除，具有綠色、安全、低成本、高效率等明顯優(yōu)勢，更符合綠色化工的要求，具有廣闊的實際應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體純化領(lǐng)域，涉及一種常溫常壓下電催化深度脫除氫氣中氧氣得到高純度氫氣的方法。本方法利用氣體擴散電極的三相反應(yīng)特點，利用電解池陰極氧還原反應(yīng)連續(xù)高效地除去氫氣中的氧氣雜質(zhì)，整個過程無污染、耗能低，符合綠色化學(xué)理念。

背景技術(shù)

隨著人們對能源和環(huán)境問題的不斷關(guān)注，為減小對石油、天然氣等不可再生能源的依賴，氫能源由于其清潔、高效、來源廣等特點備受人們的青睞。近年來，氫能源在燃料電池、半導(dǎo)體工業(yè)、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)療、航天等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。

常用的制氫方法包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、光/光電/電解水制氫等：化石燃料制氫和工業(yè)副產(chǎn)物制氫制得的氫氣純度較低，約為70～95％(Fuel,2019,253,722–730)；光解水目前效率太低；電解水可由可再生能源驅(qū)動，且在產(chǎn)氫過程中無CO₂或其他環(huán)境不友好的副產(chǎn)物產(chǎn)生，氫氣純度較高，因此有望成為未來規(guī)模制氫技術(shù)。由于電解水過程中陰陽極之間存在氧穿梭，導(dǎo)致電解水得到的氫氣中含有少量O₂雜質(zhì)，目前電解水制得的氫氣純度最高約為99.9％。然而，很多產(chǎn)業(yè)對氫氣純度要求較高，氫氣的雜質(zhì)含量須在ppb級別。我國GB/T?3634.1-2006《氫氣第1部分工業(yè)氫》技術(shù)要求中規(guī)定，高純氫純度標(biāo)準(zhǔn)為99.999％，目前國內(nèi)外燃料電池的用氫已普遍基于此標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體工業(yè)中多晶硅的生產(chǎn)過程要求氫氣的純度達(dá)到99.9999％以上。因此，氫氣中氧氣的深度脫除成為一個亟待解決的問題。

現(xiàn)階段，氫氣純化和分離的主要方法包括傳統(tǒng)熱催化純化、金屬氫化物分離、變壓吸附、低溫分離、貴金屬鈀膜擴散等方法，其中金屬氫化物分離、熱催化純化和鈀膜擴散等方法由于其產(chǎn)品氫氣純度較高(≥99.999％)被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。金屬氫化物分離需要氨氣吹掃，氫氣的回收率較低；專利CN?109012660公開了一種熱催化純化H₂的Pt基催化劑，最終產(chǎn)物純度高、回收率高，但反應(yīng)溫度較高(≥130℃)，耗能高，貴金屬Pt成本高；鈀膜擴散是目前應(yīng)用最廣泛的氫氣純化方法，但鈀元素在地殼中的含量很低、成本高昂，且氣體擴散需要較大壓強，具有一定危險性。綜上所述，亟待開發(fā)一種低成本、低耗能、高效率的深度脫除氫氣中氧氣雜質(zhì)的綠色方法。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種常溫常壓下電催化深度脫除氫氣中氧氣得到高純度氫氣的方法。

技術(shù)方案

一種常溫常壓下電催化深度脫除氫氣中氧氣得到高純度氫氣的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、氣體擴散電極的制備：將氣體擴散層材料置于平板加熱臺上，加熱溫度為20～200℃，將催化劑漿料均勻地噴涂在氣體擴散層材料上，干燥后得到氣體擴散電極即電解池的陰極；

所述催化劑粉末包括但不限于：Pt、Pd、Pt或Pd與非貴金屬合金、金屬氮化物/氧化物、金屬酞菁、碳材料、碳-非金屬化合物類催化劑、基于Pt、Pd、Fe、Co、Ni、Cu、Zn的單原子催化劑；

制作電解池的陽極時，在導(dǎo)電基底上噴涂催化劑粉末；所述催化劑粉末包括但不限于：Ir、Ru基催化劑和基于Fe、Co、Ni非貴金屬元素的催化劑催化水分解產(chǎn)氧、有機物選擇性氧化或金屬氧化等陽極氧化反應(yīng)；