一种基于酸性电解质两步电解制氢的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于电解水技术领域，具体涉及一种基于酸性电解质两步电解制氢的装置和方法。本发明专利技术装置包含一个电解罐以及放置在罐中的析氢电极、沉积电极和含有Mn

【技术实现步骤摘要】
一种基于酸性电解质两步电解制氢的装置和方法


[0001]本专利技术属于电解水
，具体涉及一种基于酸性电解质两步电解水制氢的装置和方法。

技术介绍

[0002]随着社会不断发展，技术不断提高，人们对能源的需求越来越高。煤炭、石油和天然气是目前主要的能源来源。但是这些化石能源储量有限且不可再生，它们的大规模使用，在大幅提高人类社会生产力、提升人们生活水平的同时，也带来了温室气体排放、环境污染等问题。为了缓解能源短缺与经济发展和环境保护之间的矛盾，发展低碳可再生的清洁能源成为国际社会共同的目标，有利于世界的可持续发展。
[0003]在包括太阳能、风能在内的低碳清洁可再生能源中，氢能源由于其高效稳定的优点备受关注。电解水作为最主要的制氢方式，利用地球上广泛分布的水资源作为氢气的来源，得到了大量的研究。碱性电解水是最成熟也是最早工业化的电解水技术，但是该过程同时产生氢气和氧气，产物需要进一步分离，纯度也难以保证；之后发展出质子交换膜酸性电解水，这种方法虽然简单地分离了产生的氢气与氧气，但是气体的跨膜渗漏仍有发生，且该法电解时要同时克服析氢析氧和离子跨膜运输的过电位，使得电解电压大，对电流要求高，同时质子交换膜较差的机械强度也限制了更高压的氢气的直接制备，其高昂的价格也带来了不可忽视的成本压力。
[0004]Mn
2+
/MnO2被广泛应用为水系锌电池、质子电池的正极材料。尽管在酸性溶液中其电位接近水的氧化电位，但是由于其良好的电化学可逆性，Mn
2+
的氧化往往能在较小的过电位下进行。酸性溶液中，Mn
2+
在发生析氧反应之前，可以被电化学氧化成MnO2沉淀。而且Mn
2+
经氧化后形成MnO2沉积于阳极上，与液相分离，避免其在阴极上重新还原。因此，我们将Mn
2+
氧化沉积的阳极反应和H
+
阴极还原反应结合，发展出一种新型的电解制氢的装置和方法。具体说明如下。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于克服电解水的难点，提出一种制氢效率高、纯度高、成本低的基于酸性电解质两步电解水制氢的装置和方法。
[0006]本专利技术利用Mn
2+
/MnO2作为氧化还原媒介，使得电解过程中不发生水的氧化，且MnO2形成后沉积在沉积电极上，与析氢电极分离，从而在较低电压下以较高的效率得到高纯的氢气。本专利技术与传统质子交换膜酸性电解水不同，不需要离子交换膜来分隔两极，可以直接生成高压氢气，大幅降低电解成本。
[0007]本专利技术提供的基于酸性电解质两步电解水制氢的装置，包含一个可密闭的电解罐以及放置在电解罐中的析氢电极(阴极)、沉积电极(阳极)和含有Mn
2+
的酸性电解液。
[0008]本专利技术中，所述的析氢电极，对电化学析氢过程具有催化活性。具体的，该析氢电极为：镀铂钛网、镀铂泡沫钛、镀铂铜网、镀铂泡沫铜、镀铂不锈钢网、负载铂碳催化剂的碳
纸、负载铂碳催化剂的碳毡、负载铂碳催化剂的碳布、负载铂碳催化剂的石墨毡、负载铂碳催化剂的钛网、负载铂碳催化剂的钛片、负载铂碳催化剂的泡沫钛、负载铂碳催化剂的铜网、负载铂碳催化剂的泡沫铜、负载铂碳催化剂的石墨电极中的一种或几种复合电极。
[0009]本专利技术中，所述的沉积电极是二氧化锰沉积溶解反应场所。该沉积电极为：碳毡、碳布、碳纸、石墨毡、钛网、泡沫钛、不锈钢网中的一种或几种复合电极。
[0010]本专利技术中，所述析氢电极和沉积电极之间也可以放置多孔隔膜用于防止短路。
[0011]本专利技术中，所述电解液为含有H
+
和Mn
2+
的酸性水溶液；其中，所含酸(H
+
) 的浓度为0.0001~10 mol/L，所含Mn
2+
的浓度为0.001 ~ 5 mol/L。
[0012]本专利技术中，所述酸性水溶液中的酸为:硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、甲烷磺酸中的一种或几种混合物。
[0013]本专利技术中，所述电解液中还可以含有硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、高氯酸盐、甲烷磺酸盐的中一种或几种的混合物，其主要用于提升电解液的离子电导率。
[0014]本专利技术中，所述电解罐可为方形或圆柱形状，并含有可关闭的气体出口、可关闭的出液口、可关闭的进液口。气体出口主要用于排出产生的氢气；出液口主要用来排出电解液；进液口可以添加电解液和/或含有还原剂的溶液。
[0015]本专利技术中，含有还原剂的溶液主要用于将已沉积的MnO
2 还原为可溶性的Mn
2+
。
[0016]本专利技术中，还原剂可以是二氧化硫、水合肼、连二亚硫酸钠、亚硫酸钠、草酸、草酸钠、亚铁盐、盐酸羟胺、硫代硫酸钠、次磷酸钠中的一种或几种混合物。
[0017]本专利技术进一步提供基于上述装置的基于全酸性电解质两步电解水制氢方法，具体步骤包括：（一）电解制氢：在电解罐中，H
+
在析氢阴极被电化学还原为H2，经由氢气出口收集，即2H
+
+ 2e
‑
→ꢀ
H2↑
；Mn
2+
在阳极沉积电极被电化学氧化为MnO2并沉积，Mn
2+
+ 2H2O
‑ꢀ
2e
‑
→
MnO
2 + 4H
+
；（二）二氧化锰还原：在电解罐中，加入还原剂，并充分搅拌，MnO2被还原为Mn
2+
，从阳极沉积电极上溶解，MnO2+ 2e
‑ + 4H
+
→ꢀ
Mn
2+
+ 2H2O；还原后的电解液可以直接用于电解制氢，或经出液口排出，再经进液口补充新的电解液。
[0018]所述步骤（一）和步骤（二）交替进行，实现高纯氢气的制取。
[0019]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术设计的电解罐最显著的特点是利用酸性电解质中Mn
2+
/MnO2作为氧化还原媒介，将电解水分解成两步，使得电解制氢过程中不发生水的氧化，且Mn
2+
经氧化后形成固体MnO2沉积于阳极沉积电极上，与析氢电极分离，提高了负极氢还原的库伦效率，从而以较低的电压和较高的效率得到高纯的氢气。同时该专利技术不需要离子交换膜且使用可密闭的电解罐，可以直接得到高纯高压氢气。
[0020]与传统的酸性电解水制氢相比，本专利技术不涉及氢气和氧气的同时产生，不需要离子交换膜来分隔两极，直接生成高压氢气，大幅降低电解成本。此外，不稳定的可再生能源，如风能、太阳能等可以直接用于该装置的电解反应，促进可再生能源向氢能的转化。
附图说明
[0021]图1基于酸性电解质两步电解制氢的装置及方法。
[0022]图2 电解罐1.6V恒压电解制氢曲线。
[0023]图3电解罐100mA恒流电解制氢曲线。
具体实施方式
[0024]为进一步清楚地说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于酸性电解质两步电解水制氢的装置，其特征在于，包含一个可密闭的电解罐以及放置在电解罐中的作为阴极的析氢电极、作为阳极的沉积电极和含有Mn
2+
的酸性电解液；所述析氢电极，对电化学析氢过程具有催化活性；所述沉积电极，用于二氧化锰沉积溶解反应；所述析氢电极和沉积电极之间放置有多孔隔膜，用于防止短路；所述电解液为含有H
+
和Mn
2+
的酸性水溶液；所述电解罐具有可关闭的气体出口、可关闭的出液口、可关闭的进液口；气体出口主要用于排出产生的氢气；出液口主要用来排出电解液；进液口用于添加电解液和/或含有还原剂的溶液。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述析氢电极选自镀铂钛网、镀铂泡沫钛、镀铂铜网、镀铂泡沫铜、镀铂不锈钢网、负载铂碳催化剂的碳纸、负载铂碳催化剂的碳毡、负载铂碳催化剂的碳布、负载铂碳催化剂的石墨毡、负载铂碳催化剂的钛网、负载铂碳催化剂的钛片、负载铂碳催化剂的泡沫钛、负载铂碳催化剂的铜网、负载铂碳催化剂的泡沫铜、负载铂碳催化剂的石墨电极中的一种或几种复合电极。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述沉积电极选自碳毡、碳布、碳纸、石墨毡、钛网、泡沫钛、不锈钢网中的一种或几种复合电极。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电解液中，含酸(H
+
) 的浓度为0.0001~10 mol/L，含Mn
2+
的浓度为0.001 ~ 5 mol/L。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述酸性水溶液中的酸选自硫酸、硝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永刚，孔涛逸，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：