專利名稱：一種產(chǎn)氫儲氫一體化方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造和儲存氫能源領域，特別涉及一種產(chǎn)氫儲氫一體化方法和裝置。
背景技術：
隨著傳統(tǒng)能源石油、煤日漸枯竭，加上石油、煤燃燒產(chǎn)物CO2和SO2又分別產(chǎn)生溫室效應和酸雨，使人類面臨能源、資源和環(huán)境危機的嚴峻挑戰(zhàn)。人類越來越需要潔凈的新能源。而氫能以其可再生的優(yōu)勢和豐富的資源引起了人們廣泛的興趣，而且氫不會造成環(huán)境污染，是一種非常理想、清潔的能源。儲氫是利用氫能的關鍵，也是世界性難題，許多國家投入巨資進行了研究。美國2003年撥款12億美元用于關于氫能(制備、存儲)的研究。衡量儲氫有兩個指標，體積密度(kgH2/m3)和儲氫質(zhì)量百分比(wt％)。體積密度為單位體積系統(tǒng)內(nèi)儲存氫氣的質(zhì)量；儲氫質(zhì)量百分比為系統(tǒng)儲存氫氣的質(zhì)量與系統(tǒng)質(zhì)量的比值，當然還有其它的參數(shù)，例如充、放氫的可逆性、充氣速率等。
較具權(quán)威性的標準是美國能源部(DOE，Department of Energy)公布的標準，對燃料電池電動汽車，最主要的衡量儲氫效果的標準是體積儲氫密度必須達到62kg/m3，質(zhì)量分數(shù)6.5％。另外，吸放氫過程的可逆性亦是衡量儲氫方法的重要指標?？偟膩碚f就是盡量在環(huán)境溫度以及小體積、質(zhì)量的儲存系統(tǒng)和相對小的壓力下能存很多氫氣，還有就是系統(tǒng)充、放氫氣要很快，使用壽命也是個標準。
傳統(tǒng)儲氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶(氫氣瓶)來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，瓶里的氫氣即使加壓到150個大氣壓，所裝氫氣的質(zhì)量也不到氫氣瓶質(zhì)量的1％，而且還有爆炸的危險；另一種方法是儲存液態(tài)氫，將氣態(tài)氫降溫到-253℃變?yōu)橐后w進行儲存，但液體儲存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱，才能防止液態(tài)氫不會沸騰汽化。高壓儲氫所需的容器大而笨重且對材質(zhì)要求高，能量密度低，儲存和使用的安全性差。液態(tài)儲氫的能量密度高，但其能耗大，成本高，操作和使用條件比較苛刻。另外的儲氫方法如液態(tài)有機化合物，儲氫密度高，但吸放氫工藝復雜，還有許多問題尚未解決，而且有機化合物的循環(huán)利用率低。金屬化合物儲氫，在我國一直很受重視，金屬合金的體積儲氫密度很高，但它的質(zhì)量儲氫密度比較低。
所以人們不斷地尋求新的儲氫材料。最后把研究目標定在了極具潛力的、新型的碳質(zhì)材料上。研究發(fā)現(xiàn)，碳基材料是最好的氫的吸附劑。它們主要包括活性炭，碳納米管，納米炭纖維和片層石墨等。最初人們用普通活性炭吸附氫，即使在低溫下儲氫量也達不到質(zhì)量分數(shù)1％。后來用比表面積更大、孔徑更小、粒度更均勻的活性炭，如有人用比表面積3000m2/g，微孔容積1.5mL/g的超級活性炭，在-196℃、3MPa下吸儲氫量達到質(zhì)量分數(shù)5％。從已有的應用研究證明，各種分子篩和超級活性炭均達不到美國能源部要求，近年來人們又把研究重點放在碳納米管和納米炭纖維方面。自從1991年日本的lijima發(fā)現(xiàn)碳納米管，到1997年Dillon開辟了碳納米管儲氫研究的先河以來，許多研究者進行了大量工作后，并不完全認為碳納米管是一種合適的儲氫材料。另外，各個小組研究得到的氫氣的儲存量相差較大，相互之間存在爭議。碳納米纖維儲氫的研究也不是一帆風順。比如，Chambers等用鯡魚骨狀的納米碳纖維在12MPa、25℃下竟然得到了質(zhì)量分數(shù)67％的氫吸附率，但至今無人能重復此結(jié)果。范月英等用納米炭纖維于12MPa、25℃下儲存了質(zhì)量分數(shù)13.6％的氫氣。毛宗強等也曾測得碳納米纖維可儲存質(zhì)量分數(shù)約10％的氫氣。
以前研究的碳納米材料的一個致命缺陷是吸放氫速度緩慢。碳納米管需要5h達到最大容量，碳納米纖維需要12h達到最大吸附容量。這如同給蓄電池充電一樣，不能適應加氣站的正常需求。碳納米材料儲氫還存在以下問題吸附容量的穩(wěn)定性和吸附壓力的敏感性。8個吸放循環(huán)即使吸附容量下降了30％，因此必須對碳納米纖維的吸附容量的穩(wěn)定性做充分研究。另外，碳納米材料儲氫必須采用高壓。由此可知，對于碳納米材料儲氫實際應用中還有許多問題需要解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題即是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種在常溫常壓下就可實現(xiàn)，操作簡便的一種產(chǎn)氫儲氫一體化方法和裝置。
本發(fā)明人在實驗研究中發(fā)現(xiàn)氣體可以以納米級氣泡的形式在固液界面上穩(wěn)定吸附，即納米氣泡為新型的儲氫方法提供了新的思路，并且發(fā)現(xiàn)納米氣泡中的氣體密度可能比宏觀的氣泡密度要高得多，有報道稱可為0.65～0.95g/cm3(Steitz R.et al.Nanobubbles and their precursor layer at theinterface of water against a hydrophobic substrate.Langmuir 2003，19，2409-2414；Schwendel D.et al.Interaction of water with self-Assembledmonolayersneutron reflectivity measurements of the water density in theinterface region.Langmuir 2003，19，2284-2293.)，可以接近水的密度。那么是否可以設計一個實驗在碳基材料平面上生長氫氣納米氣泡作為儲氫的方法和裝置呢？本發(fā)明就是在原有研究納米氣泡的基礎上，精心設計實驗，在原子級平整的高序熱解石墨表面上利用電化學方法產(chǎn)生了氫氣納米氣泡，并且利用原子力顯微鏡進行原位觀測。對生成的氫氣納米氣泡的質(zhì)量進行計算發(fā)現(xiàn)，已超過了美國能源部所要求的氫氣質(zhì)量分數(shù)6.5％，且環(huán)境溫度為常溫，壓力為一個大氣壓。
本發(fā)明的試驗過程包括如下步驟
①儀器的準備原子力顯微鏡是NanoScope IIIa SPM系統(tǒng)(Digital Instruments，Inc.)，配備O-圈和液體槽；“E”掃描頭；彈性系數(shù)為0.58N/m左右的普通NP針尖。針尖在使用前用水、乙醇和丙酮清洗。環(huán)境條件溫度控制在室溫，壓力為一個大氣壓。
②基底的準備本發(fā)明采用疏水的(接觸角大于40°)、原子級平整(表面粗糙度小于0.5納米)的高序熱解石墨作為氫氣氣泡的基底和電化學反應的電極。首先將高序熱解石墨用導電膠將其粘在原子力顯微鏡專用的鐵片上，再用雙面膠將其表面一層輕輕揭去；放到原子力顯微鏡的載物臺上；將裝好針尖、O形圈和出水管的液體槽放到高序熱解石墨基底上，使針尖距石墨表面約40μm，固定好。
③氫氣納米氣泡的形成本試驗中儲氫實驗的設計是通過電解濃度較低的電解質(zhì)溶液產(chǎn)生大量的氫氣后，使得電極表面的氣體達到一定的飽和度后成核生成高覆蓋率的氫氣氣泡來進行儲存氫氣的。除電化學儀外，它還包括三個電極工作電極(高序熱解石墨)、對電極(鉑絲)、參比電極(鉑絲)?？焖僮⑷腩A脫氣的電解質(zhì)溶液(0.001-1.0mol/L)于液體槽中，用原子力顯微鏡觀察加電壓前的石墨表面的形貌作為對照。在液體槽上裝好電極，打開電化學控制軟件，設定相應的參數(shù)。接通電源后，在工作電極上施加一定的負電壓并維持一定的時間，接著用原子力顯微鏡進行原位觀察，保存圖像。
工作電極上的電極反應為2H++2e-→H2↑④氫氣納米氣泡的觀察和驗證電化學反應和原子力顯微鏡的觀測是間隔進行的。當在工作電極上加負電壓后，停止加壓。接著用原子力顯微鏡來觀察電極表面的形貌變化。具體操作如下首先設定AFM的參數(shù)，輕敲模式的驅(qū)動頻率(driveamplitude)7-12KHz，驅(qū)動振幅(drive amplitude)250-280mV，掃描速率(scan rate)2Hz，掃描面積(scan size)可任意設定；然后驅(qū)近針尖至石墨表面進行成像?？梢杂^察到石墨表面有一些納米氣泡，統(tǒng)計氣泡的數(shù)量。
將生長有納米氣泡的石墨從原子力顯微鏡上取下后，放入一用于抽真空的干燥器內(nèi)，啟動真空泵在0.1大氣壓下進行抽氣2～5小時后取出，在原子力顯微鏡下進行原位觀察，發(fā)現(xiàn)納米氣泡消失，由此可以證明實驗中所生成的氣泡成分為氣體。另外，根據(jù)電解水的循環(huán)伏安曲線，只有當電壓達到一定值時，氫氣才能產(chǎn)生，而實驗發(fā)現(xiàn)，當電壓超過這一值時，石墨(陽極)表面才有氣泡生成，說明生成的氣泡為氫氣氣泡，而不是其它的物質(zhì)。
⑤氫氣納米氣泡在高序熱解石墨表面吸附量的計算我們提出了在界面吸附的納米氣泡的模型，如圖1所示。
公式1計算得到的體積為Vc=16πh(34d2+h2),]]>即公式2Vapparent=16Hmean(3Smean+πHmean2)]]>；其中Vapparent是一定面積的石墨上生成的一個納米氣泡的體積，Hmean是一定面積石墨表面上產(chǎn)生的納米氣泡的平均高度，Smean是一定面積石墨表面上產(chǎn)生的一個納米氣泡與石墨接觸的底面的平均面積；d和h分別表示納米氣泡的球冠的弦長和高度，Vc為上述氣泡模型中一個氣泡的體積。
觀察到石墨表面的氫氣納米氣泡，保存圖像，利用原子力顯微鏡操作軟件中的離線處理中的“粒子分析”可以得到單位掃描面積上的氫氣氣泡的平均面積Smean和平均高度Hmean，由這兩個參數(shù)根據(jù)圖1所示的模型可以計算出生成的氫氣氣泡的體積。重復上述步驟可得到不同電壓和不同反應時間下生成的納米氣泡體積。
根據(jù)美國能源部規(guī)定的算法重量分數(shù)＝氫氣的質(zhì)量/(石墨的質(zhì)量+水的質(zhì)量)，為了能夠與美國能源部所設定的儲氫標準進行比對，在計算過程中假設石墨的厚度為20nm，高序熱解石墨的密度為2.27g/cm3。若納米氣泡的平均高度為30nm，單位微米石墨上生成的氣泡數(shù)為200個，它在界面上的密度取上述文獻中所述范圍的中間值0.8g/cm3，水層的厚度為20nm，如達到美國能源部所要求的標準6.5wt％，則氫氣在石墨表面的覆蓋率(覆蓋率計算公式為在一定面積石墨上的氣泡與石墨的接觸面積/這一石墨面積)需要14.4％。
⑥表面儲存的氫氣的釋放在常溫常壓下，待生成所需氫氣納米氣泡后，把覆蓋于納米氣泡上面的水排出或?qū)λ┘右粋€擾動，都可將表面的氫氣釋放出來。根據(jù)排水或擾動前后得到的原位的原子力顯微圖像變化驗證了氫氣的排出。
因此，根據(jù)上述試驗結(jié)果，本發(fā)明產(chǎn)氫儲氫一體化方法的技術方案為一種產(chǎn)氫儲氫一體化方法，其特征在于采用電化學方法，控制電壓至少為1.0的負壓，反應時間為1～120秒，并以高序熱解石墨為工作電極，產(chǎn)生和吸附納米氫氣泡。
其中，該電化學方法中使用的電解質(zhì)溶液可為現(xiàn)有技術中電解水產(chǎn)生氫的任何低濃度電解質(zhì)溶液，本發(fā)明優(yōu)選0.001～1.0mol/L的酸溶液、金屬或堿金屬的堿溶液或鹽溶液。在相同電壓和時間內(nèi)電解液濃度越大，生成的氣泡數(shù)量活體積就越多，但濃度太大，如超過1.0mol/L，氣泡生成速度太快，不利于控制。通常濃度在0.001～0.1mol/L時，反應平穩(wěn)；而如濃度超過0.1mol/L，但不超過1.0mol/L時，反應時間往往需控制在2秒內(nèi)。
該酸溶液選自硫酸，硝酸和醋酸等；金屬或堿金屬的堿溶液選自氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鈣和氫氧化鎂溶液；金屬或堿金屬的鹽溶液選自硝酸鈉，硝酸鉀和硫酸鋇溶液等。較佳地，本發(fā)明所用的是脫氣處理的電解溶液，以防止溶液溶解的空氣對氫氣氣泡最初形成產(chǎn)生影響。
電解不同的溶液產(chǎn)生納米氫氣泡需要的最小負壓和時間可能會有所小差異。而在同一電解液中，產(chǎn)生納米氣泡后改變不同的反應電壓和反應時間可以控制納米氣泡的大小和數(shù)量的多少。如施加的負電壓越大，氣泡會越小，數(shù)量則增多；而隨著反應時間的延長，氣泡會增大，數(shù)量或體積會增多，通常在上述電壓下反應時間不超過120秒，因時間太長氣泡之間相互融合，變大而跑掉或破裂，從而數(shù)量變少，當然如果再加長時間氣泡又會重新在石墨上生成。
本發(fā)明所用高序熱解石墨(HOPG)是一種新型高純度碳，具有層狀結(jié)構(gòu)，是石墨中最高級別(ZYA級)的石墨；對電極最好是惰性電極鉑；而參比電極可以是鉑，也可以是銀，還有標準的參比電極如甘汞電極，銀/氯化銀電極等。
相應地，本發(fā)明產(chǎn)氫儲氫一體化裝置的技術方案為一種產(chǎn)氫儲氫一體化裝置，其包括一電化學裝置，該電化學裝置包括工作電極、對電極、參比電極和電解池，其特征在于還包括一儲氫裝置，該儲氫裝置與電化學裝置中的工作電極合為一體，為高序熱解石墨。
顯然，為吸附儲存更多的氫氣，作為儲氫裝置和工作電極的高序熱解石墨的表面積越大越好，而對電極的表面積則應盡量的小，以致不足以吸附同時產(chǎn)生的氧氣，可隨時排出，收集起來，用于其它用途，如可做為缺氧病人輸氧的氧氣來源。因此，本發(fā)明的產(chǎn)氫裝置——電化學裝置不需要在工作電極和對電極間設置隔膜，也不會在釋放氫氣時產(chǎn)生混合氣體。
該電化學裝置的電解池中使用的電解質(zhì)溶液如上述。
更佳地，本發(fā)明裝置還具有一排水管或擾動裝置，該排水管或擾動裝置的一端設于電解池中；或者本發(fā)明裝置在該電解池底部或側(cè)壁下部可設有至少一個可開閉的排水開關裝置；以便于擾動液面或排出液體后釋放氫氣。
另外，該電化學裝置的頂壁還可設有一個排氣開口，對電極也可設于其中，以使釋放的氫氣或氧氣從其逸出后便于收集；當然該開口還可直接與集氣或輸氣的管道或裝置相連接。
為便于觀測并進一步調(diào)節(jié)產(chǎn)氫量，本發(fā)明裝置還包括一觀測裝置——原子力顯微鏡(AFM)，該高序熱解石墨置于原子力顯微鏡頭部的載物臺上，該原子力顯微鏡的針尖固定于電化學裝置的頂壁，一般針尖與石墨的距離在40μm左右，不至于針尖離樣品太近，損壞針尖，但也不能太遠(要小于1mm)，否則液體就會泄露。其中，該電化學裝置中的電解池選用AFM配備的液體槽，液體槽和高序熱解石墨之間用密封件，如O形圈密封；而高序熱解石墨除作為電化學裝置的工作電極和儲氫裝置外，還兼有作為AFM觀察的基底的作用；另外，為更好地固定該石墨基底，可將石墨基底固定于，如用導電膠粘于AFM專用的磁鐵片上，該鐵片可吸附于AFM頭部的載物臺上。
本發(fā)明由于利用了電化學反應，可以通過改變所加電壓大小和時間來控制納米氣泡體積，在所要求石墨上達到產(chǎn)氫儲氫一體化的目的，還可調(diào)節(jié)產(chǎn)氫量。本發(fā)明的方法具有很好重現(xiàn)性，在常溫常壓下就可實現(xiàn)，操作簡便，不會引入污染，且氫氣的釋放簡單。而裝置則成本低廉，宜制造和運輸，安全性高，易操作，儲氫密度高且充、放氫氣快，使用壽命長。


圖1為本發(fā)明在界面吸附的納米氣泡的模型。
圖2A為本發(fā)明電解水的循環(huán)伏安曲線，圖2B為通過電解反應后生成的氫氣納米氣泡。
圖3為本發(fā)明一實施例得到的較高覆蓋率的氫氣氣泡的原子力顯微鏡圖像。
圖4為本發(fā)明氫氣納米氣泡的釋放前圖像(a)及釋放后圖像(b)。
圖5為本發(fā)明一實施例裝置剖面示意圖。
圖6為本發(fā)明另一實施例部分裝置的立體示意圖。
具體實施例方式
下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不受其限制。
其中，實施例中所用原子力顯微鏡是NanoScope IIIa SPM系統(tǒng)(DigitalInstruments，Inc.)，配備O形圈和液體槽，“E”掃描頭，彈性系數(shù)為0.58N/m左右的普通NP針尖，針尖在使用前用乙醇和丙酮清洗；水是Millipore超純水，電解質(zhì)為優(yōu)級純，購于中國化學試劑總公司；所使用的電化學儀是從上海辰華儀器公司購買的；高序熱解石墨是從Mikromasch公司購買的。
實施例1如圖5所示，將一塊12mm×12mm的高序熱解石墨3作為儲氫裝置兼AFM觀察基底用導電銀膠將其粘在AFM專用磁鐵片32上。使用前用雙面膠揭去石墨表面一層，粘有石墨3的磁鐵片吸附于原子力顯微鏡頭部的載物臺(圖未示)上。調(diào)整頭部位置，將AFM針尖31固定于AFM專用液體槽(液體槽)4上，使針尖31距石墨基底3表面約40μm，該液體槽4和石墨基底3之間固定有O形圈46密封，該液體槽4還設有排水管(圖未示)?？焖僮⑷腩A脫氣的0.001-1.0mol/L稀硫酸電解質(zhì)溶液45。用原子力顯微鏡觀察加電壓前的石墨表面的形貌作為對照。工作電極導線41從該石墨基底3引出，作為參比電極42的鉑絲置于電解液45中，而對電極鉑絲43垂直插于液體槽上的孔中并固定。把連接有計算機1的電化學儀2上的三電極的夾子分別夾到對應的電極上。上述液體槽44及其中的電解質(zhì)溶液45、O形圈46、高序熱解石墨3、工作電極導線41、參比電極42、對電極43以及電化學儀2構(gòu)成了電化學裝置。
在液體槽上裝好電極后，打開電化學控制軟件，設定相應的參數(shù)接通電源，在工作電極上施加一設定好的電壓和反應時間后，用原子力顯微鏡進行原位觀察，保存好相應的圖像。原子力顯微鏡的各個參數(shù)為輕敲模式的驅(qū)動頻率(drive amplitude)7.2KHz，驅(qū)動振幅(drive amplitude)280mV，掃描速率(scan rate)2Hz，掃描面積(scan size)12μm×12μm，根據(jù)力曲線來確定setpoint。
根據(jù)得到的電解水反應的循環(huán)伏安曲線圖(如圖2A所示)，當電壓至少達到-1.0V時，可觀察到石墨電極3表面有納米氣泡5生成，可得知為氫氣泡，如圖2B所示，氣泡的高度范圍為5-35nm。當加一定時間(1～120s)的電壓(-1.0V～-2.5V)后，可觀察到石墨表面有不同大小和數(shù)量的納米氫氣泡。具體而言，如電壓范圍為-1.0～-1.5V之間，生長的氣泡大小在15～100nm之間，但每平方微米石墨電極上生成的氣泡數(shù)量范圍約為10～50個；如電壓范圍為-1.6V～-2.5V之間，生長的氣泡大小為2～30nm之間，每平方微米石墨電極上生成的氣泡數(shù)量范圍約為40～200個。
當硫酸溶液的濃度為0.001～0.1mol/L，電壓達到-1.2V～-2.5V時，反應平穩(wěn)，一般反應5～30秒，即有大量氣泡產(chǎn)生。
利用原子力顯微鏡操作軟件中的離線處理中的“粒子分析”可以得到單位掃描面積上的氫氣氣泡的平均面積Smean和平均高度Hmean，由這兩個參數(shù)根據(jù)圖1所示的模型公式2可以計算出生成的氫氣氣泡的體積。重復上述步驟可得到不同電壓和不同反應時間下生成的納米氣泡體積。
下面選擇一個有代表性的生成高覆蓋率(89％)的氫氣納米氣泡的圖像。每個氣泡的底面的面積4045nm2，測得每平方微米石墨表面吸附的氫氣納米氣泡的數(shù)量為220個，氫氣納米氣泡的圖像如圖3所示(電解電壓為-2.0V，時間為10秒)，每平方微米石墨表面吸附的氫氣納米氣泡的體積和平均高度為9820066nm3，20nm。在計算過程中，本實施例采用的高序熱解石墨的厚度為20nm，密度為2.27g/cm3，納米氣泡在界面上的密度為0.8g/cm3，水層的厚度為20nm，根據(jù)上述美國能源部規(guī)定的算法重量分數(shù)＝氫氣的質(zhì)量/(石墨的質(zhì)量+水的質(zhì)量)，依次代入數(shù)據(jù)重量分數(shù)＝(9820066nm3×0.8g/cm3)/(2.27g/cm3×20nm×1μm2+1.0g/cm3×20nm×1μm2-0.8g/cm3×9820066nm3)＝13.6％，即得到的氫氣在石墨上吸附的重量分數(shù)為13.6％，遠遠超過6.5wt％。
在常溫常壓下，通過設于液體槽中的排水管把覆蓋于納米氣泡上面的水慢慢排出，氫氣自然被放出。如圖4所示，圖a是加一定電壓生成的氫氣納米氣泡，圖b是將表面的水排掉后發(fā)現(xiàn)氣泡消失，說明氫氣被釋放出來。可見，本發(fā)明充氫放氫簡單迅速。
實施例2裝置和操作步驟如實施例1，但使用0.001-1.0mol/L的氫氧化鉀溶液作為電解液，施加的電壓范圍為-1.0V～-2.0V，時間為1-120秒。得到的納米氣泡高度范圍為2～100nm。
在0.001-1.0mol/L的硝酸鈉、硝酸鉀、硫酸鋇等溶液中生成的納米氣泡大小與硫酸和氫氧化鉀溶液的類似，這里不再舉例。
實施例3如圖6所示，電化學池4的底部置有儲氫裝置高序熱解石墨3，該石墨3與工作電極導線41相連接，電化學池4的底部還設有可開閉的排水開關7，參比電極通過電化學池4側(cè)壁置于上述電解質(zhì)溶液45中，該電化學池的頂面設有一用于氧氣或氫氣排出的出口6，對電極43通過該出口6置于電解質(zhì)溶液45中。
同理，將連接有計算機1的電化學儀2上的三電極的夾子分別夾到對應的電極上即成為本發(fā)明產(chǎn)氫儲氫一體化的裝置。
同實施例1或2在工作電極高序熱解石墨3上施加一定負壓反應一段時間后，可在石墨3表面生成一定數(shù)量和大小的納米氫氣泡5，而對電極43生成的氧氣因為極小的電極表面不足以被吸附，可隨時由上出口6排出，可收集起來，用于其它用途，如可做為缺氧病人輸氧的氧氣來源。關于氫氣的釋放，操作非常簡單，只要把電化學池4的底部的排水開關7打開，電解池里面的水被排出，氫氣自然由上出口6釋放出來，用于能源的供應，可見利用本發(fā)明方法可以生成單一成分的納米氫氣泡。
值得注意的是，本實施例只是簡單的產(chǎn)氫儲氫裝置，實際設計時為了提高氫氣的儲存能力，可以設計讓工作電極表面盡可能大一點，生成的氫氣納米氣泡就越多，另外電解池里水層的厚度盡可能的小，以減小整個裝置的重量。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)氫儲氫一體化方法，其特征在于采用電化學方法，控制電壓至少為1.0V的負壓，反應時間為1～120秒，并以高序熱解石墨為工作電極，產(chǎn)生和吸附納米氫氣泡。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該電化學方法中使用的電解質(zhì)溶液為0.00l～1.0mol/L的酸溶液、金屬或堿金屬的堿溶液或鹽溶液。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于該酸溶液選自硫酸，硝酸和醋酸；金屬或堿金屬的堿溶液選自氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鈣和氫氧化鎂溶液；金屬或堿金屬的鹽溶液選自硝酸鈉，硝酸鉀和硫酸鋇溶液。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用鉑為對電極和參比電極，以0.001～0.1mol/L的硫酸為電解液，在1.2～2.5的負壓下進行電化學反應5-30秒。
5.如權(quán)利要求2～4任一項所述的方法，其特征在于該電解質(zhì)溶液預先經(jīng)過脫氣處理。
6.一種產(chǎn)氫儲氫一體化裝置，其包括一電化學裝置，該電化學裝置包括工作電極、對電極、參比電極和電解池，其特征在于還包括一儲氫裝置，該儲氫裝置與電化學裝置中的工作電極合為一體，為高序熱解石墨。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于其還具有一排水管或擾動裝置，該排水管或擾動裝置的一端設于電解池中；或者在該電解池底部或側(cè)壁下部設有至少一個排水開關裝置。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于該電化學裝置的頂壁設有一個排氣開口。
9.如權(quán)利要求6～8任一項所述的裝置，其特征在于其還包括一觀測裝置原子力顯微鏡，該高序熱解石墨置于原子力顯微鏡頭部的載物臺上，以原子力顯微鏡的液體槽作為電解池，該液體槽與石墨間通過密封件密封，該原子力顯微鏡的針尖固定于液體槽的上部，距離石墨40μm。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于該高序熱解石墨通過磁鐵片固定于原子力顯微鏡頭部的載物臺上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)氫儲氫一體化方法，其采用電化學方法，控制電壓至少為1.0的負壓，反應時間為1～120秒，并以高序熱解石墨為工作電極，產(chǎn)生和吸附納米氫氣泡。并公開了相應的產(chǎn)氫儲氫一體化裝置。本發(fā)明的產(chǎn)氫儲氫一體化方法具有很好重現(xiàn)性，在常溫常壓下就可實現(xiàn)，操作簡便，不會引入污染，且氫氣的釋放簡單；而裝置則成本低廉，宜制造和運輸，安全性高，易操作，儲氫密度高且充、放氫氣快，使用壽命長。
文檔編號F17C11/00GK1986894SQ200510111758
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者張立娟, 胡鈞, 方海平, 樊春海, 張益 , 沈廣霞 申請人:中國科學院上海應用物理研究所