一种电解水管状电极和包含其的电解水装置和用途制造方法及图纸

本发明专利技术属于电解水技术领域，特别涉及一种电解水管状电极和包含其的电解水装置和用途。所述管状电极(10)包括离子交换膜(2)、同轴布置的中空内层管(1)和中空外层管(3)；其中，所述内层管(1)和外层管(3)之间被所述离子交换膜(2)填充；所述内层管(1)为电解水阳极管，所述外层管(3)为电解水阴极管；或者所述内层管(1)为电解水阴极管，所述外层管(3)为电解水阳极管；所述内层管(1)和外层管(3)为管壁透气透水的导电管。本发明专利技术设计了包含电解水管状电极的电解装置，安装方便，其内可并排设置多个电解水管状电极，电解效率高，电解产生的富氢水中氢气气泡直径主要分布在350nm以下，所述富氢水中氢气含量最高达2.5ppm。

The utility model relates to an electrolytic water pipe electrode and an electrolytic water device and use thereof

【技术实现步骤摘要】
一种电解水管状电极和包含其的电解水装置和用途
本专利技术属于电解水
，特别涉及一种电解水管状电极和包含其的电解水装置和用途。
技术介绍
氢气是自然界中最小、最简单的分子，对生命具有十分重要作用。氢气可以中和体内部分氧化性较强的活性氧，当富含微米或纳米氢气泡的水溶液走进日常生活中时，大量研究表明富氢水可以调控氧化代谢的活性，具有抗疲劳、抗癌、抗炎等生理功效。所以富氢水不仅可以作为新型的饮用水资源，同时也是理想的抗氧化剂，甚至能为慢性病防治提供有效帮助。因此市场对于富氢水的应用也在逐渐扩大，尤其是便携式富氢杯。但是目前存在以下问题：1、富氢杯内电解水电极多采用叠加的片状结构，此类结构与水体接触面积小，且占据空间大，不适合多电极结构的自由组合使用，电解水效率低，制备的富氢水中氢气浓度不高。2、现有电解水电极产生的氢气气泡多为微米级尺寸，微米级尺寸的氢气气泡在水中溶解度不高，且无法稳定存在。若可以生成纳米级尺寸的氢气气泡，则水中溶解的氢气浓度将大幅度增加，且纳米级尺寸的氢气气泡可以在水中稳定存在较长时间。3、此外，现有的片状电解水电极由于不适合多电极结构的自由组合，只适合在小装置如富氢杯中使用，无法满足日常生活、工业、农业等需要大量富氢水的场所。为了解决上述问题，提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术第一方面提供一种电解水管状电极10，所述管状电极10包括离子交换膜2、同轴布置的中空内层管1和中空外层管3；其中，所述内层管1和外层管3之间被所述离子交换膜2填充；所述内层管1为电解水阳极管，所述外层管3为电解水阴极管；或者所述内层管1为电解水阴极管，所述外层管3为电解水阳极管；所述离子交换膜2包括质子交换膜或阴离子交换膜；所述内层管1和外层管3为管壁透气透水的导电管。所述离子交换膜2基本不透气不透水，使用时，其会微透水被润湿。优选地，所述中空内层管和中空外层管为多孔导电管，包括多孔金属管或多孔碳管。优选地，所述内层管1的管壁具有若干个第一产气孔1-1，所述外层管3的管壁具有若干个第二产气孔3-1。优选地，所述管状电极10还包括设置在所述内层管1的内层且与其同轴布置的中空绝缘透气支撑管。目的是排出电解水产生的气体。优选地，所述支撑管的管壁具有若干个通气孔。优选地，所述管状电极一端被绝缘层、内层管1或者外层管3密封。本文中的透气指的是只要是可实现透气功能的材料或者结构即可，例如材料具有微观或者宏观的通孔，用于透气透水。优选地，电解水阳极管为现有的任何合适的可用于电解水中作为阳极的材料制成的管状结构。优选地，电解水阳极管管状结构的内表面和/或外表面涂覆/生长有电解水阳极催化剂；例如表面涂覆或生长有铁、钴、镍、钨、钼、铜等元素的氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属催化剂；或铂、钌、铱、钯、铑、银等贵金属及其氧化物催化剂，用于阳极析氧反应；管道材质为金属或碳基的多孔导电材料。此处，多孔指的该材料具有微观或者宏观的通孔，用于透气透水。优选地，电解水阴极管为现有的任何合适的可用于电解水中作为阴极的材料制成的管状结构。优选地，电解水阴极管管状结构的内表面和/或外表面涂覆/生长有阴极催化剂；例如表面涂覆或生长有铁、钴、镍、钨、钼、铜等元素的氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属催化剂；或铂、钌、铱、钯、铑、银等贵金属及其氧化物催化剂，用于阴极析氢反应；所述管道材质为金属或碳基的多孔导电材料。优选地，所述阴极管选自生长有铂纳米阵列的钛管。所述阳极管选自钛管，例如钛片、钛毡、钛网、或泡沫钛制成的管体。本专利技术中，当管体采用钛毡、钛网、或泡沫钛制成时，因为钛毡、钛网、或泡沫钛上具有微观的孔道，其自然为管壁透气透水的导电管。当管体采用钛片制成时，该管体的管壁具有若干个第一产气孔1-1或者若干个第二产气孔3-1，使其为管壁透气透水的导电管。此处，产气孔用来使得阴极管/阳极管与离子交换膜之间透气透水，使得可以进行电解水产氢气/氧气的反应，因此可叫做产气孔。优选地，所述阴极管上设置多孔阵列电极，所述多孔阵列电极包括：多孔导电基底和生长在所述多孔导电基底上的初级阵列结构，所述初级阵列结构的每个单元形状为球形或椭球形的至少一部分；放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的次级纳米结构。优选地，所述初级阵列结构和次级纳米结构选自铂、钌、铱、钯、铑、或银。优选地，所述初级阵列结构和次级纳米结构均为铂。优选地，所述多孔阵列电极的制备方法包括以下步骤：(1)用一定质量分数的酸性溶液刻蚀多孔导电基底，然后洗涤，得到表面具有粗糙结构的多孔导电基底；(2)在一定浓度的氯化物的电解质溶液中，配置一定浓度的可溶性铂溶液，得到混合溶液；(3)在步骤(2)得到的所述混合溶液中，采用三电极体系进行电沉积，其中，步骤(1)得到的所述多孔导电基底为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极；电沉积一段时间后拿出、清洗、烘干即得到所述多孔阵列电极。优选地，在所述的多孔阵列电极中：所述次级纳米结构为锥状、或尖刺状时，其长度计为H1，所述初级阵列结构和次级纳米结构整体最大长度记为H2，H1≤1/2H2；所述片状、锥状、或尖刺状的次级结构的长度为50-800纳米，宽度为50-800纳米；所述片状的次级结构的厚度为4-10纳米；相邻的所述次级纳米结构锥状、或尖刺状顶端中心的间距最大值大于80nm。优选地，所述次级纳米结构为锥状、或尖刺状时，相邻的所述次级纳米结构顶端中心的间距均值处于80-200nm。当所述间距太大时，生成的氢气气泡尺寸太大。当所述间距的均值为80-200nm时，可以生成尺寸在纳米级别的氢气气泡。所述多孔导电基底表面具有刻蚀形成的粗糙结构；所述多孔导电基底选自泡沫钛、钛网、钛毡、或钛片。当所述多孔导电基底选择钛片时，该钛片上具有若干个第一产气孔1-1或者若干个第二产气孔3-1，使其制成的管体为管壁透气透水的导电管。优选地，在所述多孔阵列电极的制备方法中：所述三电极体系中的对电极为铂电极或石墨纸；步骤(3)还包括以下步骤:在一定浓度的硝酸盐的电解质溶液中，配置一定浓度的可溶性铂溶液，得到第二混合溶液；电沉积步骤先在步骤(2)得到的含氯化盐的溶液混合溶液中电沉积一段时间，再在所述第二混合溶液中沉积一段时间；所述电沉积为恒电位电沉积或恒电流电沉积，所述恒电位为-0.4～-1V，所述恒电流为-0.4～-60mA/cm2。优选地，步骤(1)所述酸性溶液为草酸，质量分数为5％-50％。优选地，步骤(2)所述混合溶液中可溶性铂溶液为氯铂酸或氯亚铂酸钾溶液，浓度为0.2-10mmol/L，所述混合溶液中氯化物的浓度为20-200mmol/L。优选地，步骤(3)的反应在恒温水浴下进行，温度为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解水管状电极(10)，其特征在于，所述管状电极(10)包括离子交换膜(2)、同轴布置的中空内层管(1)和中空外层管(3)；/n其中，所述内层管(1)和外层管(3)之间被所述离子交换膜(2)填充；/n所述内层管(1)为电解水阳极管，所述外层管(3)为电解水阴极管；或者所述内层管(1)为电解水阴极管，所述外层管(3)为电解水阳极管；/n所述离子交换膜(2)包括质子交换膜或阴离子交换膜；/n所述内层管(1)和外层管(3)为管壁透气透水的导电管。/n

【技术特征摘要】
1.一种电解水管状电极(10)，其特征在于，所述管状电极(10)包括离子交换膜(2)、同轴布置的中空内层管(1)和中空外层管(3)；
其中，所述内层管(1)和外层管(3)之间被所述离子交换膜(2)填充；
所述内层管(1)为电解水阳极管，所述外层管(3)为电解水阴极管；或者所述内层管(1)为电解水阴极管，所述外层管(3)为电解水阳极管；
所述离子交换膜(2)包括质子交换膜或阴离子交换膜；
所述内层管(1)和外层管(3)为管壁透气透水的导电管。


2.根据权利要求1所述的管状电极(10)，其特征在于，电解水阳极管的内表面和/或外表面涂覆或生长有阳极催化剂；所述阳极催化剂选自：
金属铁、钴、镍、钨、钼、铜等元素的氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属催化剂；或
铂、钌、铱、钯、铑、银贵金属及铂、钌、铱、钯、铑、银的氧化物；
所述阳极管管道材质为金属或碳基的多孔导电材料。


3.根据权利要求1所述的管状电极(10)，其特征在于，电解水阴极管的内表面和/或外表面涂覆/或生长有阴极催化剂；所述阴极催化剂选自：
金属铁、钴、镍、钨、钼、铜等元素的氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属催化剂；或
铂、钌、铱、钯、铑、银贵金属及铂、钌、铱、钯、铑、银的氧化物；
所述阴极管管道材质管道材质为金属或碳基的多孔导电材料。


4.根据权利要求1所述的管状电极(10)，其特征在于，
所述阴极管上设置多孔阵列电极，所述多孔阵列电极包括：
多孔导电基底和生长在所述多孔导电基底上的初级阵列结构，所述初级阵列结构的每个单元形状为球形或椭球形的至少一部分；放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的次级纳米结构；
优选地，所述初级阵列结构和次级纳米结构选自铂、钌、铱、钯、铑、或银；
优选地，所述初级阵列结构和次级纳米结构均为铂；
优选地，所述多孔阵列电极的制备方法包括以下步骤：
(1)用一定质量分数的酸性溶液刻蚀多孔导电基底，然后洗涤，得到表面具有粗糙结构的多孔导电基底；
(2)在一定浓度的氯化物的电解质溶液中，配置一定浓度的可溶性铂溶液，得到混合溶液；
(3)在步骤(2)得到的所述混合溶液中，采用三电极体系进行电沉积，其中，步骤(1)得到的所述多孔导电基底为工作电极，电沉积一段时间后拿出、清洗、烘干即得到所述多孔阵列电极。


5.根据权利要求1所述的管状电极，其特征在于，所述管状电极一端被绝缘层、内层管(1)或者外层管(3)密封。


6.一种可生成微纳富氢水的电解水装置，其特征在于，其包括权利要求1-5任一项所述的电解水管状电极(10)。

【专利技术属性】
技术研发人员：邝允，孙晓明，李佳伟，王士元，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11