[發明專利]一種基于單電解槽雙電極兩步法分步電解水制氫的方法及裝置

在審

• 申請號: 202210163327.5
• 申請日: 2022-02-23
• 公開（公告）號: CN114457351A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 王永剛;孔濤逸
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/061;C25B11/063;C25B11/077
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種基于單電解槽雙電極兩步法分步電解水制氫的裝置，其特征在于，包含一個電解槽，以及放置在電解槽中的一個析氫析氧雙功能電極和氫氧化鎳電極；

所述析氫析氧雙功能電極既能催化電解水生成氫氣，也能催化電解水；具有所述催化作用的電極材料是一種析氫析氧雙功能材料，或者是一種析氫電極材料和析氧電極材料的復合材料。

2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述析氫析氧雙功能材料對電解水生成氫氣和氧氣均有催化作用，該具有催化作用的電極材料為：

Pt；或

基于Cu-Co-Mo-O的化合物；或

基于Ni-Co-Mo-S的化合物；或

基于Ni-P的化合物；或

基于Co-P的化合物；或

基于Ni-Mo-Co的金屬化合物；或

FeP化合物；或

N、P、O、S摻雜的碳材料。

3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述析氫電極材料對電解水生成氫氣有催化作用，具有該催化作用的電極材料為：

基于金屬鉑以及其與碳的復合物；或

基于Ni、Co或Fe過渡金屬的單質或化合物；或

基于Cu的化合物；或

基于W的化合物；或

基于Mo的化合物；或

C₃N₄ 化合物。

4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述析氧電極材料對電解水生成氧氣有催化作用，具有該催化作用的電極材料為：

基于Ru或Ir貴金屬的化合物；或

基于Ni、Co、Fe或Mn過渡金屬的單質或化合物；或

N、S、P摻雜的碳；或

漆酶等生物電化學催化劑。

5. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述氫氧化鎳電極為由Ni(OH)₂活性物質和其他添加成分組成，所述添加成分為銀粉、Co(OH)₂ 、碳粉及粘結劑中的一種或者幾種。

6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述粘結劑為聚四氟乙烯。

7. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述Ni(OH) ₂活性物質和添加成分通過混合成膜或者成漿料的方式，壓制或者涂覆在金屬集流體上構成Ni(OH) ₂電極；所述金屬集流體包括：鎳網、泡沫鎳、不銹鋼網或鈦網。

8. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電解水技術的電解液是堿性水溶液，堿性水溶液溶質為氫氧化鉀或氫氧化鈉。

9.根據權利要求1-8之一所述的裝置，其特征在于，所述裝置作為一個電解水單元，多個單元間通過不同單元的Ni(OH)₂電極和析氫析氧雙功能電極相連的方式進行串聯，或者通過不同單元的Ni(OH)₂電極之間以及析氫析氧雙功能電極之間相連的方式進行并聯。

10.基于權利要求1-9之一所述裝置的兩步法電解水制氫的方法，其特征在于，具體步驟如下：

（一）電解制氫：

在電解槽中，H₂O在作為陰極的析氫析氧雙功能電極的表面被電化學還原為H₂，即2H₂O+2e^-→ H₂↑+OH^-；同時作為陽極的Ni(OH)₂電極被電化學氧化為NiOOH電極，即Ni(OH)₂ + OH^--e^-→NiOOH+ H₂O；此過程中電子由Ni(OH)₂電極經由外電路流向析氫析氧雙功能電極；

（二）電解制氧：

在電解罐中，作為陰極的NiOOH電極被電化學還原為Ni(OH)₂電極，即NiOOH + H₂O + e^-→ Ni(OH)₂ + OH^-；同時OH^-在作為陽極的析氫析氧雙功能電極的表面被電化學氧化為O₂,即4OH^-- 4e^-→2H₂O + O₂↑；此過程中電子由析氫析氧雙功能電極經由外電路流向NiOOH電極；

所述步驟（一）和步驟（二）交替進行，實現高純氫氣的制取。