一种新型电解水制氢工艺[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111074291 A(43)申请公布日 2020.04.28

(21)申请号 201911423102.3(22)申请日 2019.12.31

(71)申请人 西安泰金工业电化学技术有限公司

地址 710201 陕西省西安市西安经济技术

开发区泾渭工业园西金路西段15号(72)发明人 王正　冯庆　贾波　郝小军　

柴作强　(74)专利代理机构 西安新动力知识产权代理事

务所(普通合伙) 61245

代理人 刘强(51)Int.Cl.

C25B 1/04(2006.01)C25B 9/06(2006.01)C25B 11/04(2006.01)C25B 15/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

()发明名称

一种新型电解水制氢工艺

(57)摘要

本发明属于电解水技术领域，涉及一种新型电解水制氢工艺，包括：在电解液中插入金属化合物或者金属化合物复合非金属阳极及阴极，将阳极和阴极别与电源的正极和负极连接；打开电源开关，阴极周围产生氢气泡，阳极发生可逆氧化反应，无气泡产生；待阴极无气泡产生时，断开电源开关；将电解液加热至50～120℃，阳极还原释放出氧气泡。该工艺，采用电化学-化学两步法分解水，将阳极的析氧反应和阴极的析氢反应从时间上分开进行，省去了隔膜大大降低了成本，而且避免了氧气和氢气的混合及分离问题，更容易制得高纯氢气，降低了净化提纯成本、提高了产品质量。

CN 111074291 ACN 111074291 A

权　利　要　求　书

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1.一种新型电解水制氢工艺，其特征在于，包括：

1)在电解液中插入金属化合物或者金属化合物复合非金属阳极及阴极，将阳极和阴极分别与电源的正极和负极连接；

2)打开电源开关，阴极周围产生氢气泡，阳极发生可逆氧化反应，无气泡产生；3)待步骤2)中阴极无气泡产生时，断开电源开关；4)将电解液加热至50～120℃，可逆氧化的阳极被还原释放出氧气泡。2.根据权利要求1所述的新型电解水制氢工艺，其特征在于，所述步骤4)中的电解液的温度为90～110℃。

3.根据权利要求1所述的新型电解水制氢工艺，其特征在于，所述步骤1)中电解液的温度为室温。

4.根据权利要求1所述的新型电解水制氢工艺，其特征在于，所述电解液为碱性溶液。5.根据权利要求4所述的新型电解水制氢工艺，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钾溶液。

6.根据权利要求4所述的新型电解水制氢工艺，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。

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一种新型电解水制氢工艺

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技术领域

[0001]本发明属于电解水技术领域，涉及一种新型电解水制氢工艺。

背景技术

[0002]现代社会对能源的需求量日益增长，而传统能源又会造成严重的环境问题，因此迫切需要新的能源来满足需求。氢气是一种热值高，无污染的清洁二次能源。目前氢气制备方法主要有水煤气法和电解水制氢法。而水煤气法需要消耗化石燃料，所以未来电解水制氢法将是必然之路。

[0003]电解水制氢法是一种绿色的技术路线，目前产量已占到氢气总产量的4％。但是，目前电解水制氢中使用温度在50～80℃的碱性溶液，阴极与阳极之间使用隔膜隔离防止氧气和氢气混合，后期需要对氢气进行净化提纯，因而存在着效率低、能耗大、投资大、工艺复杂等问题。

[0004]在常规的水电解中，水的氧化和还原在空间和时间上都是耦合的，因为同时都发生在同一个电流回路的阴阳极上，阳极的析氧反应是一个动力学慢反应过程，因此会面临如产品分离，材料选择和工艺条件等重大挑战。发明内容

[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种新型电解水制氢工艺，具有低能耗、高效率、工艺简单的特点。[0006]为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：[0007]一种新型电解水制氢工艺，包括：

[0008]1)在电解液中插入金属化合物或者金属化合物复合非金属阳极及阴极，将阳极和阴极分别与电源的正极和负极连接；[0009]2)打开电源开关，阴极周围产生氢气泡，阳极发生可逆氧化反应，无气泡产生；[0010]3)待步骤2)中阴极无气泡产生时，断开电源开关；[0011]4)将电解液加热至50～120℃，可逆氧化的阳极被还原释放出氧气泡。[0012]进一步，所述步骤4)中的电解液的温度为90～110℃。[0013]进一步，所述步骤1)中电解液的温度为室温。[0014]进一步，所述电解液为碱性溶液。[0015]进一步，所述碱性溶液为氢氧化钾溶液。[0016]进一步，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。[0017]与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：采用电化学-化学两步法分解水，将阳极的析氧反应和阴极的析氢反应从时间上分开进行，省去了隔膜大大降低了成本，而且避免了氧气和氢气的混合及分离问题，更容易制得高纯氢气，降低了净化提纯成本、提高了产品质量；同时，将阳极反应拆分为阳极被氧化和阳极被还原两部分，并且阳极被氧化这一过程从普通析氧反应的四电子反应变成单电子反应，从而降低了电催化析

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氢过程的反应过电位，降低了反应的电能损耗，提升了反应效率和速率。附图说明

[0018]图1为本发明提供的电化学析氢的结构图；[0019]图2为本发明提供的化学析氧的结构图。

具体实施方式

[0020]下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：[0021]实施例1：

[0022]结合图1-2所示，本发明提供的新型电解水制氢工艺，包括如下步骤：[0023]1)在电解液中插入镍钴双金属氢氧化物钛电极，将其阳极和阴极分别与电源的正极和负极连接；

[0024]2)打开电源开关，阴极周围产生氢气泡，阳极发生可逆氧化反应，无气泡产生；[0025]3)待步骤2)中阴极无气泡产生时，断开电源开关；[0026]4)将电解液加热至50～120℃，可逆氧化的阳极被还原释放出氧气泡。[0027]优选地，所述步骤4)中的电解液的温度为90～110℃。[0028]优选地，所述步骤1)中电解液的温度为室温，例如25℃。[0029]进一步，所述电解液为碱性溶液。[0030]优选地，所述碱性溶液为氢氧化钾溶液。[0031]这种新型电解水制氢工艺，实际的制备过程参见实验1：[0032](1)将TA1钛网裁剪成2*2cm，用金属清洗剂、无水乙醇以及去离子水超声洗涤多次，然后用10％的草酸溶液煮沸酸洗2h，取出后用去离子水清洗多次，再放入60℃烘箱干燥2h备用；[0033](2)将14mmol Ni(NO3)2 6H2O和3mmol Co(NO3)2 6H2O溶于100mL去离子水中配制成Ni2+/Co2+摩尔比为7:1.5的金属混合液，搅拌至完全溶解。最后用氨水将混合液pH调节至6左右，作为电沉积电解液以备用；将0.3molKOH溶于100ml去离子水，然后加热至沸腾除氧，冷却至室温作为电解水电解液备用；[0034](3)利用三电极体系，以步骤(1)准备的钛网为工作电极，Ag或AgCl为参比电极，Pt片为对电极，并以步骤(2)配制的电沉积电解液在常温下利用恒电位阶跃法进行电沉积。其中，沉积电位为-1.0V，在该电位下沉积900s，得到镍钴双金属氢氧化物钛电极；[0035](4)将得到的镍钴双金属氢氧化物钛电极用无水乙醇和去离子水反复冲洗多次，放入60℃烘箱中干燥4h备用；[0036](5)利用三电极体系，以步骤(3)准备的镍钴双金属氢氧化物钛电极为工作电极，Ag或AgCl为参比电极，Pt片为对电极，以步骤(2)配制的电解水电解液在常温下利用恒电位阶跃法进行充电(打开电源开关，使整个回路导通)，为了验证有无氧气产生，使用溶解氧测试仪检测电解质中的溶解氧，相关测试数据参见表1：[0037]首先，检测充电前电解质的溶解氧；[0038]然后，以1.45V RHE的电势对阳极充电1500s，再次检测电解质中的溶解氧；[0039]再将电解质加热至100℃保持10min，再次测试溶解氧。

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为了验证本发明将阳极的析氧反应和阴极的析氢反应从时间上分开进行，做了一

组普通电解水实验进行对比说明，该普通电解水实验，在常温下利用恒电位阶跃法进行电解，使用溶解氧测试仪检测电解质中的溶解氧，相关测试数据参见表：同样地，[0041]首先，检测电解前电解质中的溶解氧；[0042]然后，以1.45V RHE的电势进行电解1500s，再次检测电解质中的溶解氧；[0043]再将电解质加热至100℃保持10min，再次测试溶解氧。[0044]表1溶解氧测试数据

[0045]

实施例2：

[0047]结合图1-2所示，本发明提供的新型电解水制氢工艺，实际的制备过程参见实验2：[0048](1)将TA1钛网裁剪成2*2cm，用金属清洗剂、无水乙醇以及去离子水超声洗涤多次，然后用10％的草酸溶液煮沸酸洗2h，取出后用去离子水清洗多次，再放入60℃烘箱干燥2h备用；[0049](2)将15mmol Ni(NO3)2 6H2O溶于100mL去离子水中，搅拌至完全溶解。最后用氨水将混合液pH调节至6左右，作为电沉积电解液以备用；将0.3mol NaOH溶于100ml去离子水，然后加热至沸腾除氧，冷却至室温作为电解水电解液备用；[0050](3)利用三电极体系，以步骤(1)准备的钛网为工作电极，Ag或AgCl为参比电极，Pt片为对电极，并以步骤(2)配制的电沉积电解液在常温下利用恒电位阶跃法进行电沉积。其中，沉积电位为-1.0V，在该电位下沉积900s，得到氢氧化镍钛电极；[0051](4)将得到的氢氧化镍钛电极用无水乙醇和去离子水反复冲洗多次，放入60℃烘箱中干燥4h备用；[0052](5)利用三电极体系，以步骤(3)制备的氢氧化镍钛电极为工作电极，Ag或AgCl为参比电极，Pt片为对电极，以步骤(2)配制的电解水电解液在常温下利用恒电位阶跃法进行充电(打开电源开关，使整个回路导通)，为了验证有无氧气产生，使用溶解氧测试仪检测电解质中的溶解氧，相关测试数据参见表2：[0053]首先，检测充电前电解质的溶解氧；[00]然后，以1.45V RHE的电势对阳极充电1500s，再次检测电解质中的溶解氧；[0055]再将电解质加热至100℃保持10min，再次测试溶解氧。

[0056]为了验证本发明将阳极的析氧反应和阴极的析氢反应从时间上分开进行，做了一组普通电解水实验进行对比说明，该普通电解水实验，在常温下利用恒电位阶跃法进行电解，使用溶解氧测试仪检测电解质中的溶解氧，相关测试数据参见表：同样地，[0057]首先，检测电解前电解质中的溶解氧；[0058]然后，以1.4VRHE的电势进行电1500s，再次检测电解质中的溶解氧；[0059]再将电解质加热至100℃保持10min，再次测试溶解氧。

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表1溶解氧测试数据

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结合上述实验数据，经过分析对比可知，本发明提供的这种电解水制氢工艺，在阴

极进行析氢反应的同时，阳极几乎没有氧气泡产生；采用电化学-化学两步法分解水，将阳极的析氧反应和阴极的析氢反应从时间上分开进行，省去了隔膜大大降低了成本，且避免了氧气和氢气的混合及分离问题，更容易制得高纯氢气，降低了净化提纯成本、提高了产品质量；同时，将阳极反应拆分为阳极被氧化和阳极被还原两部分，并且阳极被氧化这一过程从普通析氧反应的四电子反应变成单电子反应，从而降低了电催化析氢过程的反应过电位，降低了反应的电能损耗，提升了反应效率和速率。[00]以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。[0065]应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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