[發(fā)明專利]一種基于酸性電解質(zhì)分步電解水制氫的裝置及方法

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• 申請(qǐng)日: 2022-02-23
• 公開（公告）號(hào): CN114457352A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王永剛;孔濤逸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B1/04
• 分類號(hào): C25B1/04;C25B9/23;C25B9/65
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于電解水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于酸性電解質(zhì)分步電解水制氫的裝置及方法。本發(fā)明裝置包含一個(gè)隔膜電解槽、放置在槽中的析氫電極和析氧電極、沉積電極和含有Mn²⁺的酸性電解液。其制氫過程包含兩個(gè)步驟：電解制氫，包括H⁺在陰極析氫電極的電化學(xué)還原生成氫氣，同時(shí)電解液中的Mn²⁺在陽極沉積電極被電化學(xué)氧化，生成MnO₂沉淀和H⁺；電解制氧，包括H₂O在陽極析氧電極的電化學(xué)氧化生成氫氣以及MnO₂在陰極沉積電極被電化學(xué)還原溶解生成Mn²⁺；兩個(gè)步驟可循環(huán)交替進(jìn)行。與傳統(tǒng)的酸性電解水制氫相比，本發(fā)明不涉及氫氣和氧氣的同時(shí)產(chǎn)生，從而制備高純氫氣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于酸性電解質(zhì)分步電解水制氫的裝置及方法。

背景技術(shù)

工業(yè)革命以來，社會(huì)生產(chǎn)力大幅提升，對(duì)能源的需求也急劇增大。經(jīng)過對(duì)化石能源百年的開采利用，人類社會(huì)開始面臨能源枯竭的問題，由于化石能源的使用導(dǎo)致的大量溫室氣體排放也成為不容忽視的問題。大力發(fā)展低碳可再生能源成為社會(huì)共識(shí)。

在包括太陽能、風(fēng)能在內(nèi)的低碳清潔可再生能源中，氫能源由于其高效穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。電解水是氫氣的最主要來源途徑，堿性電解水制氫是發(fā)展最早也最成熟的工業(yè)制氫方式。在電解過程中，氫氣在陰極產(chǎn)生的同時(shí)氧氣也在陽極產(chǎn)生，得到的混合氣體需要經(jīng)過進(jìn)一步的分離提純。這提高了電解成本，同時(shí)得到的氫氣純度也有限。隨后業(yè)界發(fā)展出酸性電解水技術(shù)，通過在陰極與陽極間使用離子交換膜，使得兩極產(chǎn)生的氣體被物理分隔，從而大大簡(jiǎn)化了電解流程，并且提高了氣體純度。然而由于氣體為中性不帶電荷，氣體的跨膜滲漏仍有發(fā)生。

Mn²⁺/MnO₂被廣泛應(yīng)用為水系鋅電池、質(zhì)子電池的正極材料。盡管在酸性溶液中其電位接近水的氧化電位，但是由于其良好的電化學(xué)可逆性，Mn²⁺的氧化往往能在較小的過電位下進(jìn)行。酸性溶液中，Mn²⁺在發(fā)生析氧反應(yīng)之前，可以被電化學(xué)氧化成MnO₂沉淀，之后又可以以較小的過電位還原溶解。我們將Mn²⁺的沉積溶解反應(yīng)和水的電解結(jié)合，發(fā)展出一種新型的電解制氫的裝置和方法。具體說明如下。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于克服電解水的難點(diǎn)，提出一種制氫效率高、純度高的基于酸性電解質(zhì)分步電解水制氫的裝置及方法。

本發(fā)明利用Mn²⁺/MnO₂作為氧化還原媒介，使得電解水過程中制氫和制氧在時(shí)間上分離，從而直接獲得高純度的氫氣，而不需要進(jìn)一步的分離步驟。

本發(fā)明提供的基于酸性電解質(zhì)分步電解水制氫的裝置，包含一個(gè)具有隔膜的電解槽以及放置在電解槽中的析氫電極和析氧電極、沉積電極和含有Mn²⁺的酸性電解液。所述隔膜電解槽通過隔膜分隔為兩個(gè)腔，第一腔1內(nèi)放置沉積電極，第二腔2內(nèi)放置析氫電極和析氧電極。電解槽具有可關(guān)閉的氣體出口，主要用于排出產(chǎn)生的氫氣和氧氣。

本發(fā)明中，所述析氫電極對(duì)電解水生成氫氣有催化作用，該具有催化作用的電極材料為：基于Pt、Pd、Au或Ag以及其與碳的復(fù)合物；或基于Ni、Co過渡金屬的單質(zhì)或化合物；；或基于W的化合物；或基于Mo的化合物。

本發(fā)明中所述析氧電極對(duì)電解水生成氧氣有催化作用，該具有催化作用的電極材料為：基于Ru、Ir或Pt貴金屬、合金及化合物；或N、S、P摻雜的碳。

本發(fā)明中，所述析氫電極和析氧電極可以復(fù)合成析氫析氧雙功能電極。

本發(fā)明中，所述沉積電極用于二氧化錳沉積溶解反應(yīng)，該電極選自碳?xì)帧⑻疾?、碳紙、石墨氈、鈦網(wǎng)、泡沫鈦、不銹鋼網(wǎng)中的一種或幾種復(fù)合電極。