電場誘導制備氫氣的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電場誘導制備氫氣的方法。該方法以水為基礎(chǔ)原料，以電場誘導反應器為反應設(shè)備，利用電場誘導作用，使水解離生成氫自由基和羥基自由基，繼而，氫自由基結(jié)合生成氫氣；以過渡金屬離子為催化劑，使羥基自由基轉(zhuǎn)化為水和氧氣。該方法能顯著提高氫自由基的生產(chǎn)效率和速率，能耗小，能夠產(chǎn)生更多數(shù)量的氫氣。
【專利說明】電場誘導制備氫氣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電化學及人工光合作用領(lǐng)域，具體來說涉及一種電場誘導制備氫氣的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會發(fā)展，人類對能源的需求量不斷增大，石油產(chǎn)品和煤炭燃料的消耗逐年增大。石油、天然氣和煤炭的大量燃燒，導致大氣中CO2的濃度逐年升高。CO2濃度增加導致地球溫室效應，每100年，最高溫度上升0.820C，最低氣溫平均上升1.790C，平均氣溫上升
0.79°C。地球氣化變暖，導致南北極冰山融化，海水水位上升，引發(fā)颶風、強暴雨和海嘯等自然災害，增大霍亂，痢疾等細菌疾病的發(fā)生。地球溫室效應已經(jīng)嚴重威脅到人類的生存和發(fā)展，如何減少CO2排放，降低大氣中的CO2濃度成為科學研究的熱點。
[0003]燃燒氫氣不產(chǎn)生CO2，被認為是一種最清潔的燃料。當前在世界范圍內(nèi)，科學工作者從不同的角度，采用多種方法制備燃料氫氣，尋找能耗小、成本低和不造成周邊環(huán)境污染的方法。當前燃料氫氣的制備方法主要有:電解法、水與焦炭反應、有機質(zhì)氣化法和光催化水分解法。電解法是最簡單的氫氣制備方法，當前社會上消耗的燃料氫氣主要來源于電解食鹽獲得的副產(chǎn)品氫氣。水與焦炭反應制備氫氣，是一種成熟的工業(yè)技術(shù)，主要應用在化肥生產(chǎn)行業(yè)。有機質(zhì)氣化法制備氫氣，如黑液氣化制備燃料氫氣，正在接近工業(yè)化應用。光催化水分解法，是以太陽能為基礎(chǔ)能源，在光敏催化劑的作用下，使水分子發(fā)生分解，生成氫氣和氧氣，是被認為 最具有發(fā)展?jié)摿θ剂蠚錃庵苽浞椒ā?br> [0004]電解法和水與焦炭反應法制備氫氣，都存在電能消耗大，生產(chǎn)成本高的缺點。有機裂解法制備燃料氫氣，需要消耗大量有機質(zhì)，有可能消耗大量的森林資源。光催化水分解法制備燃料氫氣，存在的最大問題是催化劑的失活問題。由于沒有解決光催化劑的穩(wěn)定性和持久性，當前該法的生產(chǎn)效率尚低，生產(chǎn)成本也較高。為尋找一種電能消耗小，生產(chǎn)成本低，及對環(huán)境友好的燃料氫氣生產(chǎn)方法，本發(fā)明創(chuàng)造一種電場誘導制備燃料氫氣的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對光伏人工光合作用的特點及上述制備氫氣的方法存在的問題，提供一種電場誘導制備氫氣的方法，該方法能顯著提高氫氣的生產(chǎn)效率和速率，大幅提高光伏人工光合作用的效率。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種電場誘導制備氫氣的方法，該方法是:以水為基礎(chǔ)原料，以電場誘導反應器為反應設(shè)備，利用電場誘導作用，使水解離生成氫自由基和羥基自由基，繼而，氫自由基結(jié)合生成氫氣；以過渡金屬離子為催化劑，使羥基自由基轉(zhuǎn)化為水和氧氣，從而降低氫自由基和羥基自由基的復合速率，提高氫氣的生產(chǎn)效率和速率。
[0008]以上所述的電場誘導制備氫氣的方法，包括以下化學反應:
[0009]1.電場誘導使水解離，生成氫自由基和羥基自由基，化學反應方程式為:[0010]Η20—.Η+.0Η;
[0011]2.在過渡金屬離子催化劑的作用下，羥基自由基轉(zhuǎn)化為水和氧氣，化學反應方程式為:
[0012]4.0H — 2Η20+02 ;
[0013]3.氫自由基結(jié)合生成氫氣,化學反應方程式為:
[0014]2.Η —Η2。
[0015]以上所述的電場誘導制備氫氣的方法，所述的電場誘導反應器包括陽極室和陰極室，所述陽極室內(nèi)安裝有陽極板，陰極室內(nèi)安裝有陰極板，陽極室和陰極室之間用隔離膜隔離。
[0016]所述過渡金屬離子優(yōu)選為鈦、鎳、鐵或鉻離子。
[0017]所述的陽極板優(yōu)選為金屬鈦電極、石墨電極或金屬氧化物電極，所述金屬氧化物電極優(yōu)選為氧化釕電極或氧化鉈電極等。
[0018]所述的陰極板優(yōu)選為金屬鎳電極、鎳鉻合金電極或鎳鐵鉻合金電極。
[0019]所述的隔膜優(yōu)選為微濾膜、納濾膜或陽離子交換膜等，最佳優(yōu)選為陽離子交換膜。
[0020]所述的電場誘導反應器的電源可采用包括太陽能、風能、水力、火力或核能等發(fā)電產(chǎn)生的電能。優(yōu)選以太陽光為基礎(chǔ)能源，以光伏發(fā)電系統(tǒng)為電能生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過光伏效應使太陽能轉(zhuǎn)化為所述電場誘導反應器的的電能。
[0021]所述的電場誘導反應器的電源工作電壓為直流電壓1.0-12.0V。
[0022]電場誘導制備氫氣的原理是:
[0023]在水分子中，氫原子S軌道和氧原子P軌道疊合成鍵，成鍵軌道的電子云分為靠近氫原子核的S軌道未重疊區(qū)、SP軌道重疊區(qū)和靠近氧原子核的P軌道未重疊區(qū)。氫原子上的電子能夠出現(xiàn)在S軌道未重疊區(qū)和SP軌道重疊區(qū)，氧原子的成鍵電子也能夠出現(xiàn)在SP軌道重疊區(qū)和P軌道未重疊區(qū)。當氫原子上的電子出現(xiàn)在S軌道未重疊區(qū)，同時氧原子的成鍵電子出現(xiàn)在P軌道未重疊區(qū)時，成鍵軌道SP重疊區(qū)沒有電子，成鍵暫時斷開，水分子暫時分離成氫自由基和羥基自由基。這種暫時生成的氫自由基和羥基自由基之間的距離很短，很快又復合為水分子。在生成到復合期間，大多數(shù)的這些自由基沒有脫離出水分子的空間范圍，不與水分子空間范圍以外的物質(zhì)發(fā)生作用；只有很少量的這些自由基脫離出水分子的空間范圍，成為真正意義的自由基。
[0024]在電場中，電場力作用使水分子中的H-O鍵的鍵長拉長，兩個H-O鍵之間的鍵角縮小。鍵長拉長，削弱H-O鍵的鍵能，使其更容易斷裂；鍵角縮小，增加鍵的扭曲程度，增大了水分子內(nèi)能(彈性勢能)，使水分子的穩(wěn)定性能下降，活潑性能上升，更容易解離成自由基。因此，提高氫自由基的產(chǎn)率和速率。
[0025]在電場中，電場力作用限制了具有一定偶極性的羥基自由基的自由旋轉(zhuǎn)，降低羥基自由基的空間移動的速率，導致羥基自由基和氫自由基相互碰撞的速率大幅度下降，降低氫自由基和羥基自由基的復合速率。因此，提高氫自由基的產(chǎn)率和速率，提高氫氣的產(chǎn)率和速率。
[0026]以電場誘導制備氫氣具有以下優(yōu)點:
[0027]1.與電解法相比較，在相同電耗條件下，能夠產(chǎn)生更多數(shù)量的氫氣。采用電解法制備氫氣時，需要從陰極板上獲得2個電子，才能轉(zhuǎn)變成一個分子的氫氣；采用電場誘導制備氫氣時，只需要靜電場的電場力的作用，不需要經(jīng)過電子轉(zhuǎn)移，所以需要的電能消耗很小，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，每消耗一個電子能夠產(chǎn)生15-50個氫自由基，每生成5-20個分子的氫氣。
[0028]2.與水和焦炭反應法相比較，電場誘導制備燃料氫氣能在室溫和常壓條件進行，避免高溫、高壓反應條件，避免壓縮制氧工序，因此避免了大量的電能消耗。
[0029]3.與有機質(zhì)氣化法相比較，電場誘導制備氫氣能避免消耗大量的森林資源。
[0030]4.光催化水分解法相比較，電場誘導制備氫氣能夠避免了大量的光催化劑的消耗。
[0031]5.水和太陽光能都屬于可再生資源，利用水和太陽光能制備氫氣可持續(xù)發(fā)展，其生產(chǎn)成本較低，對周邊環(huán)境友好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明電場誘導反應器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中設(shè)備名稱及序號:
[0034]1.陽極室；2.陽極板；3.隔膜；4.陰極室；5.陰極板。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做詳細說明。
[0036]實施例1
[0037]組裝電場誘導反應器，如圖1所示:所述陽極室I內(nèi)安裝有陽極板2，陰極室4內(nèi)安裝有陰極板5，陽極室I和陰極室4之間用隔膜3隔離。陽極板2為鈦金屬電極，陰極板5為鎳鐵鉻合金電極，隔膜3為陽離子交換膜。向陰極室4加水，加入硝酸鎳作為催化劑，密閉陰極室4，以收集反應生成的氫氣，將陽極室I插入陰極室4中，并將適量的水溶液注入陽極室I。通過導線直流電源器，檢查電路后，選用輸出電壓為5.0V，控制電流密度使之小于10mA/cm2)，當陰極面積為12.5cm2,總電流約為0.03mA時，在常溫常壓條件下連續(xù)反應5天后，得到氫氣6.8mmoL.[0038]實施例2
[0039]組裝電場誘導反應器，如圖1所示:所述陽極室I內(nèi)安裝有陽極板2，陰極室4內(nèi)安裝有陰極板5，陽極室I和陰極室4之間用隔膜3隔離。陽極板2為石墨電極，陰極板5為鎳電極，所述隔膜3為納濾膜。向陰極室4加水，加入硝酸鐵作為催化劑，密閉陰極室4，以收集反應生成的氫氣，將陽極室I插入陰極室4中，并將適量的水溶液注入陽極室I。通過導線直流電源器，檢查電路后，選用輸出電壓為1.0V，控制電流密度使之小于lOmA/cm2)，當陰極面積為12.5cm2,總電流約為0.04mA時,在連續(xù)反應5天后,得到氫氣3.2mmol。
[0040]實施例3
[0041]組裝電場誘導反應器，如圖1所示:所述陽極室I內(nèi)安裝有陽極板2，陰極室4內(nèi)安裝有陰極板5，陽極室I和陰極室4之間用隔膜3隔離。陽極板2為氧化釕電極，陰極板5為鎳鉻合金電極，隔膜3為微濾膜。向陰極室4加水，加入硝酸鉻為催化劑，密閉陰極室4，以收集反應生成的氫氣，將陽極室I插入陰極室4中，并將適量的水溶液注入陽極室I。通過導線直流電源器，檢查電路后，選用輸出電壓為8.0V，控制電流密度使之小于lOmA/cm2)，當陰極面積為12.5cm2，總電流約為0.12mA時，在常溫常壓條件下連續(xù)反應5天后，得到氫氣 7.3mmol ο
[0042]實施例4
[0043]組裝電場誘導反應器，如圖1所示:所述陽極室I內(nèi)安裝有陽極板2，陰極室4內(nèi)安裝有陰極板5，陽極室I和陰極室4之間用隔膜3隔離。陽極板2為氧化鉈電極，陰極板5為鎳電極，隔膜3為陽離子交換膜。向陰極室4加水，加入硫酸鈦為催化劑，密閉陰極室4，以收集反應生成的氫氣，將陽極室I插入陰極室4中，并將適量的水溶液注入陽極室I。通過導線直流電源器，檢查電路后，選用輸出電壓為12.0V，控制電流密度使之小于IOmA/cm2),當陰極面積為1 2.5cm2,總電流約為0.31mA時,連續(xù)反應5天后,得到氫氣9.3mmol。
【權(quán)利要求】
1.一種電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:以水為基礎(chǔ)原料，以電場誘導反應器為反應設(shè)備，利用電場誘導作用，使水解離生成氫自由基和羥基自由基，繼而，氫自由基結(jié)合生成氫氣；以過渡金屬離子為催化劑，使羥基自由基轉(zhuǎn)化為水和氧氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場誘導制備氫氣的方法，其特征是，包括以下化學反應: (O電場誘導使水解離，生成氫自由基和羥基自由基，化學反應方程式為:
H2O —.H +.0H ; (2)在過渡金屬離子催化劑的作用下，羥基自由基轉(zhuǎn)化為水和氧氣，化學反應方程式為:
4.0H — 2H20 + O2 ； (3)氫自由基結(jié)合生成氫氣,化學反應方程式為:
2.H — H2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的電場誘導反應器包括陽極室(I)和陰極室(4)，所述陽極室(I)內(nèi)安裝有陽極板(2)，陰極室(4)內(nèi)安裝有陰極板(5)，陽極室(I)和陰極室(4)之間用隔離膜(3)隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述過渡金屬離子為鈦、鎳、鐵或鉻離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的陽極板為金屬鈦電極、石墨電極或金屬氧化物電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的陰極板為金屬鎳電極、鎳鉻合金電極或鎳鐵鉻合金電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的隔膜為微濾膜、納濾膜或陽離子交換膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的電場誘導反應器的電源采用包括太陽能、風能、水力、火力或核能發(fā)電產(chǎn)生的電能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的電場誘導反應器的電源工作電壓為直流電壓1.0-12.0V。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電場誘導制備氫氣的方法，其特征是:所述的電場誘導反應器的電源以太陽光為基礎(chǔ)能源，以光伏發(fā)電系統(tǒng)為電能生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過光伏效應使太陽能轉(zhuǎn)化為所述電場誘導反應器的的電能。
【文檔編號】C01B3/04GK104016301SQ201410267625
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】農(nóng)光再, 陳溢一, 李明, 周宗文 申請人:廣西大學