【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电解水法，尤其涉及一种利用活泼金属当作中间介质两步电解水制氢的方法。
技术介绍
1、氢气是我们未来社会的重要能源载体，1公斤氢气含有约120兆焦耳(相当于约33.33千瓦时)的能量。可再生能源产生的氢气(h2)对于生产碳中和的商品化学品至关重要，如氨(haber-bosch工艺)和零排放燃料。目前，每年生产超过1.1亿吨h2，其中95％以上来自化石燃料的二氧化碳重整。因此，h2生产的脱碳在近年来受到了极大的关注。
2、水电解被认为是将可再生电力转化为绿色h2的实用方法，包括质子交换膜(pem)电解槽，阴离子交换膜(aem)电解槽，碱性水电解槽(awe)，和固体氧化物电解槽(soec)等。尽管这些电解槽具有较高的能源效率，但h2和o2的共同生产导致的气体交叉以及与可再生能源不匹配等问题仍是较大阻碍。公开号为cn113913843a的中国专利公开了一种质子交换膜电解槽电解水制氢的方法，包括如下步骤：电解槽内设有质子交换膜电极；在外电路作用下，水通过阳极区在质子交换膜电极界面发生电化学反应被分解成氧气、氢离子和电子；在阳极区产生的氧气通过阳极集流体上的气体流场逸出并收集；阳极区所产生的氢离子通过质子交换膜电极，分别在质子交换膜内部或者阴极扩散层处与外电路提供的电子发生电化学反应生成氢气；在质子交换膜电极内部产生的氢气会与氧气催化反应生成水，降低气体交叉；在阴极区产生的氢气通过阴极集流体上的气体流场逸出并收集。该专利技术能够减少气体交叉问题，提高产氢纯度和效率，并且提高贵金属催化剂的利用率和结构稳定性。但和以上
3、活泼金属水解(如nabh4、mg、al)原位生产氢气，解决气体交叉、储存和运输的挑战。第一步是将电能或化学能转化为活泼反应介质，即能量存储在反应介质中；第二步是通过介质和水之间的化学反应产生h2。公开号为cn116835525a的中国专利技术专利提供了一种镁基固态储氢合金原位吸氢及水解产氢装置及其应用，该装置可以在同一罐体内实现镁合金材料的可控充氢和水解产氢，将会大大提升镁储氢材料水解产氢效率并减少系统的制造时间。该装置可直接将氢气注入镁合金产氢罐中实现镁合金吸氢生成氢化态的镁合金，在随后需要用氢时通入水使得氢化态的镁合金水解产氢，在此过程中，镁合金吸氢后不需要将其取出暴露于空气，也不需要进一步的处理，镁合金的吸氢和水解产氢可以在同一装置内分步完成，该过程极大地节约了水解产氢罐体的制造时间和成本。然而，活泼金属的再生需要大量的能量输入(例如：mg、al)，导致整体能量利用率低。另外，活泼金属的再生会排放co2和其他气体(如co、cl2、cf4等)，这与我们的绿色氢气生产目标背道而驰。
4、因此，具有高能效的两步解耦水产氢气应该具有以下要求：1)中间介质能够高能效无污染再生；2)介质稳定并且可以容易地储存；3)h2生产效率应该高。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本专利技术的第一方面，提供了一种两步电解水制氢的方法，利用活泼金属作为中间介质，包括如下步骤：
2、(1)将活泼金属的氧化物mox溶于强碱水溶液，得到含有羟基合活泼金属离子的碱性溶液；
3、(2)将阴极、阳极置于所得碱性溶液中，于阴极电沉积形成活泼金属单质m，得到沉积金属m；
4、(3)以所得沉积金属m作为牺牲阳极，以原阳极作为催化阴极，构成m-h2o原电池，释放氢气和电能；
5、(4)循环重复步骤(2)及步骤(3)，持续进行电解水制氢。
6、优选的，所述步骤(1)中，所述活泼金属m包括zn、pb、sn、ga中的一种。
7、优选的，所述步骤(1)中，所述强碱水溶液包括氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液中的至少一种。
8、优选的，所述步骤(1)中，所述羟基合活泼金属离子的浓度为0.1～0.8mol/l。
9、阴极可采用一般的电极形制，如板状；同理的，阳极材料亦可采用网状、多孔网或者板状。本领域技术人员可以根据电极材料的原料类型确定其合适的形制。
10、优选的，所述步骤(2)中，所述阴极的材料包括锡黄铜、铅黄铜、黄铜、青铜、铜、锌、锡中的一种。
11、优选的，所述步骤(2)中，所述阳极的材料包括雷尼镍、镍、镍钴合金中的一种。
12、优选的，所述步骤(2)中，所述电沉积的电流密度为10～150ma cm-2，电沉积时间为1～10h，电沉积温度为30～90℃。
13、优选的，所述步骤(3)中，所述m-h2o原电池的电流密度为10～150ma cm-2，放电截止电压为10～100mv，原电池温度为30～90℃。
14、优选的，所述步骤(4)中，当m-h2o原电池的水含量减少至初始含量的80％时，添加去离子水以补充消耗损失。
15、基于以上技术方案，本专利技术的构思在于，提出一种使用活泼金属m(zn，pb，sn，ga)作为电子载体，结合m-h2o电池产生h2和碱性电解槽再生m的生产闭环工艺。利用活泼金属m热力学比水活泼但是表面析氢速度慢的原理，实现了活泼金属m在水溶液中的电沉积和存储，利用了雷尼镍等催化阴极高效的催化析氢能力，加速活泼金属m与水反应的慢速动力学。m-h2o系统可以使用廉价的可再生能源充电，并根据需要生产h2。与使用活泼金属从h2o中提取h2的传统方式不同，m的氧化是在m-h2o电池中进行的，该电池解决了m阳极在碱性溶液中的钝化问题，产生氢气的同时并获得了化学能。其次，溶解的m离子，可以使用m-h2o电池中相同电解质和电极材料，通过电沉积而再生m。因此，总反应是两个步骤将h2o分别依次解离成为h2和o2。换句话说，这是一种水的间接电解。此外，整个过程仅释放o2作为副产物，无有害气体释放。
16、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
17、本专利技术提供了一种两步电解水制氢的方法，利用活泼金属作为中间介质，利用新能源电能进行充电，将能量存储在活泼金属当中；在适当的时候，再将活泼金属和水反应释放氢气，具有能量利用率高的优势；同时，氢气储运无需压缩机和高压氢气罐，活泼金属作为中间介质可以长期存储和安全运输；氢气和氧气是分开按照时间顺序产生的，不会有气体交叉造成纯度不高，该装置无需隔膜，贵金属催化剂，具有良好的成本优势。
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1.一种两步电解水制氢的方法，其特征在于，利用活泼金属作为中间介质，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述活泼金属M包括Zn、Pb、Sn、Ga中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述强碱水溶液包括氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述羟基合活泼金属离子的浓度为0.1～0.8mol/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述阴极的材料包括锡黄铜、铅黄铜、黄铜、青铜、铜、锌、锡中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述阳极的材料包括雷尼镍、镍、镍钴合金中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述电沉积的电流密度为10～150mA cm-2，电沉积时间为1～10h，电沉积温度为30～90℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述M-H2
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，当M-H2O原电池的水含量减少至初始含量的80％时，添加去离子水以补充消耗损失。
...【技术特征摘要】
1.一种两步电解水制氢的方法，其特征在于，利用活泼金属作为中间介质，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述活泼金属m包括zn、pb、sn、ga中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述强碱水溶液包括氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述羟基合活泼金属离子的浓度为0.1～0.8mol/l。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述阴极的材料包括锡黄铜、铅黄铜、黄铜、青铜、铜、锌、锡中的一种。
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【专利技术属性】
技术研发人员：尹华意，蔡牧涯，王洪亚，周风银，汪的华，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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