二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用制造技术

本发明专利技术属于电化学催化技术领域，具体涉及一种二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用，所述二硫化钼的结构为纳米花状，所述二硫化钼的比表面积为20.8～97.7m2/g。本发明专利技术以纳米花状的二硫化钼用于电解氢同位素分离，纳米花状的二硫化钼具有较大的比表面积，且暴露了大量的边缘活性点位，在用于电解分离氢同位素时，具有较低的析氢过电位；同时，因为二硫化钼活性点位与氢同位素H、D、T的结合能差异较大，因此，当二硫化钼用于电解氢同位素分离，具有较强的选择性(氢氘分离因子)。实施例的数据表明，二硫化钼用于电解氢同位素分离的氢氘分离因子为8.55～10.22。为8.55～10.22。

Application of molybdenum disulfide in electrolytic separation of hydrogen isotopes

【技术实现步骤摘要】
二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用


[0001]本专利技术属于电化学催化
，具体涉及二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用。

技术介绍

[0002]氢同位素在现代能源体系和核工业等领域中拥有广泛应用。例如，氘在医疗、地质化学研究、照明、同位素示踪、中子散射、质子核磁共振波谱和核反应堆等方面有着大量的应用。然而，氘的自然丰度低至0.015％，氚仅为10
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18
％。为满足全球对重氢同位素日益增长的需求，迫切需要开发出从氢同位素中提取重氢同位素的高效分离技术。
[0003]为实现快速、低能耗及高效氢同位素分离，国内外发展了诸如热扩散法、低温精馏法、离心法、色谱法、联合电解催化交换法、化学交换法、热循环吸附法、激光法等氢同位素分离方法。然而，由于氢同位素的物理化学性质极为相似，重同位素丰度低，要达到所需的分离程度，这些技术通常设备复杂、投资成本高、能源消耗大、操作条件恶劣。
[0004]电解法分离氢同位素是一种更有效的分离方法。它利用电催化析氢反应中氢同位素的动力学差异，不仅能产生较高的分离因子，而且能在温和的条件下实现相转化。虽然，低碳钢、镍、铂已被用作电解氢同位素分离的催化剂，但其活性或分离因子不理想，铂虽然过电位较低，但其氢氘分离因子仅为5
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6，镍的氢氘分离因子为6
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7，低碳钢分离因子稍高(约为8)，但其在电流密度达到10mA/cm2所需过电位高达400mV以上。因此，迫切需要开发同时具有高活性(所需过电位低)和高选择性(氢氘分离因子高)的催化剂。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用，本专利技术将二硫化钼用于电解分离氢同位素，具有较低的析氢过电位，同时，具有较高的选择性。
[0006]本专利技术提供了二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用，所述二硫化钼的结构为纳米花状，所述二硫化钼的比表面积为20.8～97.7m2/g。
[0007]优选地，所述二硫化钼的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将钼源和硫源混合，进行水热反应，得到所述二硫化钼；所述水热反应的温度为140～200℃，时间为18～24h。
[0009]本专利技术还提供了一种修饰电极，所述修饰电极包括玻碳电极基体和负载在所述玻碳电极基体表面的二硫化钼，所述二硫化钼为权利要求1所述的二硫化钼。
[0010]优选地，所述玻碳电极基体上二硫化钼的负载量为0.2～0.6mg/cm2。
[0011]本专利技术还提供了上述所述修饰电极的制备方法，包括以下步骤：
[0012]将二硫化钼、Nafion溶液和极性溶剂混合，得到分散液；
[0013]将所述分散液涂覆于玻碳电极后干燥，得到所述修饰电极。
[0014]优选地，所述Nafion溶液的质量浓度为5％。
[0015]优选地，所述二硫化钼的质量和所述Nafion溶液的体积比为2～4mg：10～100μL。
[0016]本专利技术还提供了一种三电极系统，包括对电极、参比电极和工作电极，其特征在于，所述对电极为石墨电极，所述参比电极为以Ag/AgCl电极，；所述工作电极为上述所述的修饰电极或上述所述制备方法得到的修饰电极。
[0017]本专利技术还提供了一种分离氢同位素的电解方法，利用上述所述的三电极系统对含氢同位素电解液进行电解。
[0018]优选地，所述电解的温度为5～25℃，所述电解的电流为10～20mA。
[0019]本专利技术提供了二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用，所述二硫化钼的结构为纳米花状，所述二硫化钼的比表面积为20.8～97.7m2/g。本专利技术将纳米花状的二硫化钼用于电解氢同位素分离，纳米花状的二硫化钼具有较大的比表面积，且暴露了大量的边缘活性点位，在用于电解分离氢同位素时，具有较低的析氢过电位；同时，因为二硫化钼活性点位与氢同位素H、D、T的结合能差异较大，因此，当二硫化钼用于电解氢同位素分离，具有较强的选择性(氢氘分离因子)。实施例的数据表明，二硫化钼用于电解氢同位素分离的氢氘分离因子为8.55～10.22。
附图说明
[0020]图1为实施例1得到的二硫化钼的扫描电镜图；
[0021]图2为实施例1原位质谱测试电解产生H2、HD、D2随时间变化图；
[0022]图3为实施例2原位质谱测试电解产生H2、HD、D2随时间变化图；
[0023]图4为实施例3原位质谱测试电解产生H2、HD、D2随时间变化图；
[0024]图5为实施例4原位质谱测试电解产生H2、HD、D2随时间变化图；
[0025]图6为对比例1原位质谱测试电解产生H2、HD、D2随时间变化图；
[0026]图7为对比例2原位质谱测试电解产生H2、HD、D2随时间变化图。
具体实施方式
[0027]本专利技术提供了二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用。
[0028]在本专利技术中，如无特殊说明，本专利技术所用原料均优选为市售产品。
[0029]本专利技术中，所述二硫化钼的结构为纳米花状，所述二硫化钼的比表面积为20.8～97.7m2/g，优选为70～97.7m2/g。本专利技术中，所述二硫化钼的晶体结构优选为2H。本专利技术中，所述二硫化钼的结构和比表面积使得二硫化钼暴露了大量的边缘活性点位，为降低析氢过电位和提高选择性(氢氘分离因子)提供了条件。
[0030]在本专利技术中，所述二硫化钼的制备方法，优选包括以下步骤：
[0031]将钼源和硫源混合，进行水热反应，得到所述二硫化钼。
[0032]在本专利技术中，所述钼源优选包括钼酸铵、钼酸钠、钼粉、三氧化钼和四硫代钼酸铵中的一种或几种，进一步优选为四水合七钼酸铵或钼酸钠。本专利技术中，所述硫源优选包括有机硫源或无机硫源；所述有机硫源优选包括硫脲、硫代乙酰胺和四硫代钼酸铵中的一种或几种；进一步优选为硫脲和/或硫代乙酰胺；所述无机硫源优选包括硫粉。在本专利技术中，所述钼源中钼原子和硫源中的硫原子的摩尔比优选为7：(15～40)，进一步优选为7：30。
[0033]在本专利技术中，所述水热反应的介质优选包括水或水和N,N
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二甲基甲酰胺的混合液，进一步优选为水和N,N
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二甲基甲酰胺的混合液。当介质为水和N,N
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二甲基甲酰胺的混
合液时，所述混合液中水和N,N
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二甲基甲酰胺的体积比优选为4～5:1，进一步优选为4.5～5:1。本专利技术中，所述钼源中钼原子的摩尔数和水热反应的介质的体积比优选为14mmol：60～80mL，进一步优选为14mmol：65～75mL。
[0034]在本专利技术中，所述水热反应的温度优选为140～200℃，进一步优选为160～180℃；时间优选为18～24h，进一步优选为20～24h。本专利技术中，所述水热反应优选在水热高压反应釜中进行。
[0035]所述水热反应后，本专利技术优选将水热反应所得产物依次进行洗涤、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.二硫化钼在电解分离氢同位素中的应用，其特征在于，所述二硫化钼的结构为纳米花状，所述二硫化钼的比表面积为20.8～97.7m2/g。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述二硫化钼的制备方法，包括以下步骤：将钼源和硫源混合，进行水热反应，得到所述二硫化钼；所述水热反应的温度为140～200℃，时间为18～24h。3.一种修饰电极，其特征在于，所述修饰电极包括玻碳电极基体和负载在所述玻碳电极基体表面的二硫化钼，所述二硫化钼为权利要求1所述的二硫化钼。4.根据权利要求3所述的修饰电极，其特征在于，所述玻碳电极基体上二硫化钼的负载量为0.2～0.6mg/cm2。5.权利要求3或4所述修饰电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二硫化钼、Nafion溶液和极性溶剂混合，得到分散液；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵庆凯，王绪，唐灿，陈长安，庞敏，王怡，李顺，刘春雨，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：