[发明专利]一种电催化水汽变换反应制备高纯氢气的催化剂和装置

权利要求书

1.一种电催化水汽变换反应制备高纯氢气的装置，所述装置包括阳极电极、电解池、离子交换膜和阴极，其特征在于：所述的阳极电极包括导电基底、催化剂和疏水扩散层，所述的疏水扩散层采用刷涂或滴涂的方法分散在催化剂层的上方；

所述装置结构为具有进气和出气功能的可控温型的密封单体电池结构或H型双体结构，所述装置的电解池的阴极电极和阳极电极两侧分开，通过离子交换膜实现电解质在阴极和阳极之间的离子传导以及阴阳两极之间的产物隔绝；

所述电催化水汽变换反应温度为10-80℃；所述高纯氢气的纯度为99.99％；

所述催化剂为金属负载型的催化剂，所述催化剂中金属为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir中至少一种；载体为XC-72R、导电炭黑KB、C₃N₄、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、石墨炔、金属Y的氧化物、金属Y的硫化物和金属Y的碳化物和金属Y的氮化物中的至少一种；

所述XC-72R、导电炭黑KB、C₃N₄、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、石墨炔为非掺杂，或者为经非金属或/和金属掺杂；

所述金属Y为Mo、W、Sn、V、Ce、Zr、Ti、Fe、Al、In、Ni、Mn、Ag；所述疏水扩散层为氟材料，所述氟材料为聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟丙基全氟乙烯基醚、聚四氟乙烯的共聚物或氟化聚乙烯。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属负载型催化剂的制备包括以下步骤：

(1)将载体分散到浸渍溶剂中得到载体的分散液，将金属阳离子盐配置成10^-3-1M浓度的水溶液，在0-50℃范围内以0.1-1mL min^-1的流速滴加到载体的分散液中，在20-80℃范围内浸渍搅拌得到固体粉末，所述浸渍溶剂为水、丙酮、甲醇、乙醇、乙二醇或异丙醇中的至少一种；

(2)将步骤(1)中得到的固体粉末在还原气氛中于100-600℃范围内加热处理0.5-30小时，降温到10-100℃范围内在钝化气氛中处理0.5-50小时，得到金属负载型的催化剂。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的金属阳离子盐为所述金属阳离子的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐、醋酸盐中的至少一种，金属阳离子盐与载体的质量之比为100:1-1:100。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述还原气氛的气体为还原性气体与惰性气体的混合气，所述还原性气体为氢气、一氧化碳、甲烷、硫化氢、一氧化氮、氨气中的至少一种，其中还原性气体所占的体积比例为1～99％，所述还原处理的气体的流速为5-200mL/min。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述钝化气氛处理的气体为氧化性气体与惰性气体的混合气，所述氧化性气体为O₂，CO₂中的至少一种，其中氧化性气体所占的体积比例为0.5～50％，所述钝化处理的气体的流速2-100mL/min。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的导电基底为碳纸、碳布、泡沫碳、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种，所述疏水扩散层在阳极电极表面的含量为0.001-1000μg/cm²。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电解池的电解质为酸性电解质、碱性电解质或中性电解质，所述离子交换膜为阳离子交换膜或阴离子交换膜，所述阴极的电极为碳棒、碳纸、碳布、泡沫碳、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛以及铂网、铂丝中的至少一种。

8.权利要求1-7任意一项所述的装置在电催化水汽变化制备高纯氢中的应用。