煤基牺牲电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种煤基牺牲电极及其制备方法和应用。该煤基牺牲电极的制备方法包括如下步骤：(1)将包括2～8重量份煤、1～6重量份碱活化后的生物质和0.5～5重量份石墨的原料形成混合物；(2)将混合物压制成型，获得生料；(3)将生料在惰性气氛且温度为600～1000℃下碳化处理，得到煤基牺牲电极。该方法制备得到的煤基牺牲电极能够在保持较低的电解水制氢能耗的前提下，提高电极的耐久性。提高电极的耐久性。

【技术实现步骤摘要】
煤基牺牲电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种煤基牺牲电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢气被认为是新型无污染能源载体。单位质量氢气产生的热量远高于同质量的煤、石油和天然气。与传统热化学制氢技术相比，电解水制氢技术具有无污染且制得的氢气纯度高等优点。然而，电解水制氢存在着效率低、能耗大等缺点。
[0003]CN112795948A公开了一种利用石墨毡电极电解水煤浆制氢的方法。该方法包括：(1)将原煤依次进行破碎、研磨和筛分，使粒度小于200目，得到细化煤粉；(2)将细化煤粉和铁离子加到酸溶液中，得到水煤浆混合物；(3)以石墨毡作为阳极，并搭配一个阴极，以水煤浆混合物作为电解液，组成电化学反应装置进行电解水煤浆制氢。该方法将煤形成水煤浆，通过碳颗粒与阳极板发生碰撞或碳颗粒与氧化基团的碰撞实现电解水过程电极电势的降低。反应过程涉及颗粒在浆液中的扩散、氧化基团在电极的产生以及在电解液中的传递，上述过程导致水煤浆只有在低电流密度下才能获得比电解水更低的电极电势，而难以在大电流密度下实现电极电势的降低。
[0004]CN113388857A公开了一种利用木质纤维生物质制备用于电解水制氢整体牺牲阳极的方法。该方法包括如下步骤：(1)将木质纤维生物质破碎、筛分至所需粒度；(2)将步骤(1)获得的原料进行热碱液活化，脱除木质素、半纤维素；(3)将步骤(2)获得的样品过滤、洗涤，得到碱活化后生物质原料；(4)将碱活化后生物质原料与导电颗粒、电催化剂和粘结剂充分混合，得到混合物；(5)在混合物中加入去离子水，然后在模具中加压成型，得到电极生坯；(6)将电解生坯进行热解碳化获得电极熟坯；(7)将电极熟坯整形，获得最终电极。该方法所得的电极强度低，电解过程阳极片损失大，导致制氢能耗高。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的一个目的在于提供一种用于电解水制氢的煤基牺牲电极的制备方法，该方法制备得到的煤基牺牲电极能够减低电解水制氢的能耗，且耐久性好。本专利技术的另一个目的在于提供一种煤基牺牲电极。本专利技术的再一个目的在于提供一种煤基牺牲电极在电解水制氢中的应用。
[0006]上述技术目的通过如下技术方案实现。
[0007]一方面，本专利技术提供一种煤基牺牲电极的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)将包括2～8重量份煤、1～6重量份碱活化后的生物质和0.5～5重量份石墨的原料形成混合物；
[0009](2)将混合物压制成型，获得生料；
[0010](3)将生料在惰性气氛且温度为600～1000℃下碳化处理，得到煤基牺牲电极。
[0011]根据本专利技术的制备方法，优选地，所述煤选自褐煤或烟煤中的一种，所述生物质为木质纤维素生物质。
[0012]根据本专利技术的制备方法，优选地，所述煤为用10～25wt％的盐酸洗涤脱灰后的煤；
[0013]将生物质用氢氧化钠溶液在60～100℃下活化1～8h，得到碱活化后的生物质。
[0014]根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(1)中，将包括煤、碱活化后的生物质、石墨和水的原料混合，得到混合液；将混合液干燥，得到混合物。
[0015]根据本专利技术的制备方法，优选地，混合过程的搅拌速度为200～1000r/min，混合时间为12～36h；干燥温度为70～140℃，干燥时间为4～80h。
[0016]根据本专利技术的制备方法，优选地，压制成型在压片机上进行，步骤(2)中，压制成型在压片机上进行，压片强度为1～15MPa。
[0017]根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(3)中，所述惰性气氛为氩气气氛。
[0018]根据本专利技术的制备方法，优选地，惰性气体的流速为100～300mL/min；从室温升温至碳化温度的升温速率为5～20℃/min。
[0019]另一方面，本专利技术提供了一种由上述方法制备得到的煤基牺牲电极。
[0020]再一方面，本专利技术提供了一种由上述方法制备得到的煤基牺牲电极在电解水制氢中的应用，在温度为25℃且电流密度为50mA/cm2的条件下进行采用恒流电解测试，所述牺牲电极的耐久性为4h以上。
[0021]本专利技术以适当配比煤、碱活化生物质和石墨为原料构筑了牺牲电极，在保持较低的电解水制氢能耗的前提下，提高了牺牲电极的耐久性。
具体实施方式
[0022]下面对本专利技术进行更详细的描述，但本专利技术不限于此。
[0023]<煤基牺牲电极的制备方法>
[0024]本专利技术的煤基牺牲电极的制备方法包括如下步骤：(1)形成混合物的步骤；(2)成型的步骤；(3)碳化的步骤。下面进行详细介绍。
[0025]形成混合物的步骤
[0026]将包括煤、碱活化后的生物质和石墨的原料形成混合物。本专利技术的煤基牺牲电极以适当配比的酸洗后的煤、碱活化后的生物质和石墨为原料，煤作为碳源，石墨为导电颗粒，碱活化后的生物质作为粘结剂，通过共成型、共热解能够获得煤基型焦牺牲阳极。
[0027]在本专利技术中，酸洗后的煤的用量为2～8重量份；优选为3～7重量份；更优选为4～6重量份。这样能够提供充足的碳源，保证氧化反应的进行，且能够得到适当孔隙结构和强度的煤基牺牲电极，从而降低电解水制氢的能耗，提高电极的耐久性。
[0028]在本专利技术中，煤优选为褐煤或烟煤中的一种。根据本专利技术的一个实施方式，煤为蒙古国胡硕图烟煤。煤的粒径可以为200～400目。这样的煤具有适当的碳含量、挥发分含量，有利于形成适当孔隙结构与强度的煤基牺牲电极。
[0029]将煤经过酸洗处理，得到酸洗后的煤。具体地，将煤用10～25wt％的盐酸洗涤脱灰后，得到酸洗后的煤。优选地，盐酸的浓度为15～20wt％。这样能够排除矿物质组分对牺牲阳极性能的影响。
[0030]在本专利技术中，碱活化后的生物质的用量为1～6重量份；优选为2～5重量份；更优选为3～4重量份。这样能够使煤基牺牲电极具有适当的强度，且能够使煤基牺牲电极具有适当的孔隙结构，从而降低电解水制氢的能耗，提高电极的耐久性。
[0031]在本专利技术中，生物质为木质纤维素生物质。优选地，生物质选自玉米秸秆、玉米芯、水稻、松木中的一种或多种。根据本专利技术的一个实施方式，生物质为玉米秸秆。生物质的粒径可以为200～300目。这样能够保证牺牲电极的强度，提高牺牲电极的耐久性。以煤、玉米秸秆和石墨共同作为原料，煤相对于生物质更加廉价易得，且通过加入适量的煤可以在具有较低的电解水制氢能耗的基础上，提高电极的耐久性。
[0032]将生物质用碱液活化，得到碱活化后的生物质。碱液可以为氢氧化钠溶液。氢氧化钠溶液的浓度可以为0.5～5wt％；优选为1.5～2.5wt％。氢氧化钠与生物质的质量比可以为(1～5):1；优选为2:1。活化温度可以为60～100℃；优选为70～90℃；更优选为75～85℃。活化时间可以为1～8h；优选为2～6h；更优选为3～5h。这样能够提高生物质的粘结特性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤基牺牲电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将包括2～8重量份煤、1～6重量份碱活化后的生物质和0.5～5重量份石墨的原料形成混合物；(2)将混合物压制成型，获得生料；(3)将生料在惰性气氛且温度为600～1000℃下碳化处理，得到煤基牺牲电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煤选自褐煤或烟煤中的一种，所述生物质为木质纤维素生物质。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述煤为用10～25wt％的盐酸洗涤脱灰后的煤；将生物质用氢氧化钠溶液在60～100℃下活化1～8h，得到碱活化后的生物质。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将包括煤、碱活化后的生物质、石墨和水的原料混合，得到混合液；将混合液干燥，得到混合物。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，混...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，周兴，范剑明，李哲函，刘全生，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：