【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤炭清洁利用与电解制氢，具体涉及一种利用极性小分子有机物协同煤浆电解制氢的方法。
技术介绍
1、氢气具有比能量密度高、能量转换效率高和零污染的特点，无论是作为储能介质还是动力燃料，均有望在未来低碳能源系统中逐渐替代传统化石能源。电解水可以在温和的环境下制取高纯氢气，生产过程清洁无污染，并且其模块化的特点很适合分布式工作，可以很好的与风能、太阳能等可再生能源进行耦合以消纳过余电力，提高电力系统稳定性。然而，目前电解水制氢技术发展的主要瓶颈是较高的能量消耗，商用电解水制氢的成本往往是化石燃料制氢的两到三倍，其中电耗约占电解水制氢成本的80％。因此，如何降低电耗是电解水制氢进一步推广应用的关键所在。
2、电解水制氢的电耗主要来自理论分解电势和过电势，其中过电势主要来自阳极氧气释放反应。虽然可以通过设计性能优异的催化剂在一定程度上降低过电势，但理论分解电势是发生反应的热力学最低电势，无法进一步降低，这导致电解水制氢的电耗存在一个较高的“底线”。想要突破这一“底线”，只能通过改变反应路径来降低理论分解电势。电解煤浆制氢将电解水制氢的阳极反应从氧气释放反应替换为煤的氧化反应，使理论分解电势从电解水的1.23v下降到了0.21v，理论上可以大幅降低电解水制氢的电耗。在实际应用中，电解煤浆制氢的电耗约为电解水的40～60％。同时，电解煤浆制氢的过程中不会产生污染性气体，阳极产生的高纯度co2也很容易进行捕集，在降低电耗制取高纯氢的同时实现了煤的清洁利用与高值转化。
3、然而，受到电解煤浆过程中“固-固”和“
4、因此开发一种提高煤在电解煤浆制氢过程中的反应活性、增加电解煤浆产氢速率的技术方法，对于降低电解煤浆的制氢成本、实现大规模推广应用，以及煤清洁高值转化利用都具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种利用极性小分子有机物协同煤浆电解制氢的方法。
2、为解决上述技术问题，本专利技术的解决方案是：
3、提供一种利用极性小分子有机物协同煤浆电解制氢的方法，包括以下步骤：
4、(1)将煤破碎成粒径小于100微米的颗粒状粉末；然后按质量比例50～70∶30～50与极性小分子有机物在机械搅拌条件下充分混合，获得改性煤粉；
5、(2)将改性煤粉与酸液、催化剂掺混，制得用于电解制氢的煤浆；
6、(3)构建用于煤浆电解制氢的电解槽；电解槽包括相互隔离的阳极室和阴极室，两室中间设置质子交换膜；以预氧化的碳纤维布和铂片分别作为阳极电极和阴极电极(可采用电解水常用的电极)，在阳极室中填充煤浆作为阳极液，在阴极室中填充酸液作为阴极液；向两个电极通入直流电，在电解过程始终保持对阳极液的搅拌。
7、作为本专利技术的优选方案，所述煤为无烟煤、烟煤或褐煤中的任意一种。
8、作为本专利技术的优选方案，所述极性小分子有机物为乙醇、乙酸、丙醇或丙酸中的任意一种。
9、作为本专利技术的优选方案，所述机械搅拌的转速为600r/min，搅拌时间为10～60分钟。
10、作为本专利技术的优选方案，所述酸液为硫酸或盐酸。
11、作为本专利技术的优选方案，所述催化剂为含有fe3+、mn2+或pb2+的水溶性金属盐。
12、作为本专利技术的优选方案，在所述煤浆中，改性煤粉的浓度为20～300g/l，硫酸或盐酸的浓度为0.5～5mol/l，催化剂的浓度为0.01～1mol/l。
13、作为本专利技术的优选方案，在进行电解时，控制电解槽中的温度为20～90℃，施加直流电压为0.8～1.3v。
14、作为本专利技术的优选方案，在电解过程中，在阳极室使用机械搅拌或磁力搅拌避免煤浆沉积，控制搅拌转速为600r/min。
15、专利技术原理描述：
16、电解煤浆制氢的过程中，煤自身反应活性较低。电解过程中主要涉及煤与催化剂的“固-液”反应以及煤与电极的“固-固”反应，已有研究表明，实际电解中以煤与催化剂的“固-液”反应为主。一方面，由于煤表面疏水性较强，导致其与溶液中的催化剂之间的反应存在较大的阻碍，煤自身的活性位点没能得到很好的利用；另一方面，煤的有机结构在电解过程中依次生成c-o和c＝o结构，最终生成co2排出电解装置，反应过程中含氧官能团特别是c-o结构具有较高的反应活性。因此，如何提高煤表面的亲水性，使其能够更好的与溶液中的催化剂进行反应，充分利用活性位点，同时能够改善煤的有机结构使其具有更高的反应活性，是提高电解煤浆反应速率(即产氢速率)的关键所在。本专利技术通过对煤进行改性处理，提高煤的亲水性，并对煤的有机结构进行修饰，是一种高效的提高电解煤浆制氢速率的有效方法。
17、本专利技术提出，在进行煤浆电解之前，利用极性小分子有机物对煤进行改性预处理。极性小分子有机物的疏水基团会吸附到煤的疏水位点上，将亲水基团“嫁接”到煤上，提高了煤的亲水性，从而使煤可以更好的与溶液中的催化剂进行反应。同时，经过充分搅拌，极性小分子有机物可以进入到煤的孔隙结构中，修饰了煤的官能团分布，提高煤的反应性。经过预处理的煤在后续的电解过程中，拥有更高的反应活性，产氢速率也得到了提高。
18、与现有技术相比，本专利技术的技术优势是：
19、(1)本专利技术以煤的氧化反应代替了氧气释放反应，同时在阴极获得了高纯度的h2，以简单的工艺大幅降低电解水制氢电耗的同时实现了煤在温和条件下的高值转化，具有良好的经济效益。
20、(2)本专利技术所用阳极催化剂成本较低，可以摆脱金属依赖，电解池结构也可以隔绝阴阳极之间的相互干扰，便于模块化运行。
21、(3)本专利技术使用廉价的极性小分子有机物对煤进行改性，提升电解煤浆制氢的反应速率，工艺步骤少，投资成本低。
22、(4)本专利技术中所使用的极性小分子有机物，可以在阳极发生氧化提高电流，进一步提高电解煤浆制氢的产氢速率。
23、(5)本专利技术在电解煤浆的过程中，阴极为高纯度h2，阳极为co2为主的混合气体；而co2十分容易进行捕集，有助于减少碳排放。并且煤中的s等元素会被氧化溶解在溶液中，不会排放污染性气体，实现了煤的清洁利用。
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1.一种利用极性小分子有机物协同煤浆电解制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煤为无烟煤、烟煤或褐煤中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极性小分子有机物为乙醇、乙酸、丙醇或丙酸中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械搅拌的转速为600r/min，搅拌时间为10～60分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸液为硫酸或盐酸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂为含有Fe3+、Mn2+或Pb2+的水溶性金属盐。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述煤浆中，改性煤粉的浓度为20～300g/L，硫酸或盐酸的浓度为0.5～5mol/L，催化剂的浓度为0.01～1mol/L。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行电解时，控制电解槽中的温度为20～90℃，施加直流电压为0.8～1.3V。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电解过程中，在
...【技术特征摘要】
1.一种利用极性小分子有机物协同煤浆电解制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煤为无烟煤、烟煤或褐煤中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极性小分子有机物为乙醇、乙酸、丙醇或丙酸中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械搅拌的转速为600r/min，搅拌时间为10～60分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸液为硫酸或盐酸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘建忠，陈聪，陈懿同，刘荟，王智化，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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