[发明专利]一种燃料电池用的咔唑类储氢材料的制备及常压脱氢方法

说明书

本发明提出一种燃料电池用的咔唑类储氢材料的制备及常压脱氢方法，使用乙基咔唑作为原料，将其负载于铜基底上进行高温退火，获得所需的咔唑类有机物。将咔唑类有机物与负载有质子导体材料均匀混合后加入粘接剂等助剂进行复合，之后进行水浴加热脱氢。本发明通过在铜基表面直接复合具有共轭结构的螺旋状咔唑材料，通过其中的共轭π键的苯环与铜基表面平行，其吸附方向优先取向Cu（110）面进行吸附，从而大幅度降低氢离子的吸附和脱附势垒。质子导体吸附氢离子转化为氢气，有效促进脱氢‑吸氢可逆反应向脱氢方向进行，从而提高氢气的释放能力。

技术领域

本发明涉及储氢材料领域，特别是涉及一种燃料电池用的咔唑类储氢材料的制备及常压脱氢方法。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。燃料电池主要是由阳极、电解质和阴极所组成。在阳极上的燃料（一般为氢气）被催化剂氧化，使得燃料变成一个正电荷的离子和带负輸电子。燃料电池在工作过程中只产生水和二氧化碳，尤其与内燃机汽车相比，对环境不会造任何污染。

氢能是一种清洁、高效的能源 ,可替代污染环境且不可再生的煤、石油、天然气等化石燃料，作为洁净可再生能源有着广阔的应用前景随着氢能源的不断发展。作为氢能源发展的技术难点之一，氢气的储存也越来越受到人们的重视。燃料电池目前主要的技术难点之一是高性能低成本的储氢材料的制备技术。按氢的储存方法可以分为常温高压储氢、低温液化储氢和吸附储氢三种，有机液体氢化物储氢技术具有储氢量大，储存、运输、维护、保养安全方便，便于利用现有储油和运输设备，可多次循环使用等优点。

有机液态氢化物可逆储放氢系统是一个封闭的循环系统。由储氢剂的加氢反应、氢载体的储存、运输及氢载体的脱氢反应等个过程组成。氢气通过电解水或其他方法制备后，利用催化加氢装置，将氢储存在环己烷或甲基环己烷等氢载体中。由于氢载体在常温、常压下呈液体状态，其储存和运输简单易行。将氢载体输送到目的地后，再通过催化脱氢装置，在脱氢催化剂的作用下，释放出被储存的氢能，供用户使用，储氢剂则经过冷却后储存、运输、循环再利用。

咔唑主要存于煤焦油中，高温煤焦油内约含咔唑1.5%，由于其沸点较高，可用精馏及萃取等方也可以用乙二醇进行萃取精馏等方法进行分离。咔唑为无色片状或白色结晶，溶于丙酮、醚，徽溶于无水乙醇、苯、乙酸、氯代烃不溶于水，易升华，置于紫外光下显示强荧光和磷光，作为新型有机液体储氢体系进行广泛研究。乙基咔唑是一种含氮的芳香杂环化合物，脱氢反应焓低，储氢量高，脱氢纯度高，在常温下为液态，是作为储氢材料的优秀备选。

有研究表明将Ru/γ-Al₂O₃和Pd/γ-Al₂O₃混合后，对乙基咔唑在高压釜中的可逆储放氢过程进行研究，在433 K下，乙基咔唑在 30 min内完成储氢过程，质量储氢密度达到5.67%，体积储氢密度为52.17 kg/m3，且在 473 K下可实现加氢产物很好地脱氢，乙基咔唑表现出较好的循环效果。以Ru/C为催化剂，通过改变温度、压力、搅拌速度等因素对乙基咔唑的催化加氢性能进行研究，乙基咔唑的最佳加氢反应条件为 6MPa、423K、0.8g Ｒu/C、750r/min，在此条件下，乙基咔唑的储氢密度约可达 4.73%。中国发明专利申请号201310138518.7公开了一种乙基咔唑的加氢方法及其产物的脱氢方法，向反应釜中加入Ag乙基咔唑、Bg金属催化剂和Cg离子液体，然后向反应釜中加入超临界CO₂流体，然后将加氢氢库与反应釜相连通入氢气，调节反应釜温度为150～180℃、压力为8～10MPa同时打开搅拌装置开始反应，采用双金属催化剂Ru-Co/Al₂O₃、Ru-Ni/Al₂O₃，可以很大程度上提高加氢、脱氢效率，而且不会对环境造成污染。