[发明专利]一种降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的方法及系统

说明书

本发明公开一种降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统及方法，其中，所述系统包括包括阴极室以及通过交换膜隔开的阳极室，所述阴极室和所述阳极室内设置有电解液，所述阴极室和所述阳极室内的电解液中对应设置有阴极和阳极，所述阴极和阳极均为负载有镍钴双金属氢氧化物的导电基底，所述电解液包括无机碱液和甲醇。本发明有效解决了传统电解水制氢反应中能耗过高的重要问题，创造性地提出采用由阴极驱动的析氢反应和阳极驱动的甲醇氧化反应组成的共电解策略，从而提高低能耗析氢效率，并事半功倍地实现基础化学品甲醇高效增值。

技术领域

本发明涉及电化学催化领域，特别涉及一种降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的方法及系统。

背景技术

氢能作为一种可再生的清洁能源，具有比能量高、燃烧产物无污染等许多突出的优点。近年来，电解水是公认的大规模制氢的重要途径，已经成为一个非常有前景的研究重点。因此，开发高效的电解水制氢体系具有十分重要的研究意义。传统的电解水体系由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个反应构成，但由于传统电解水体系中阳极处析氧反应的动力学较为延迟，过电位较高，目前报道的传统全水解体系的输入电压远远高于其反应所需要的标准热力学电势，且其产物氧气的价值较低，导致整个反应体系析氢能耗较大，能源利用率较低，因此被认为是制约整个传统电解水制氢效率的瓶颈。

在传统电解水体系中H₂和O₂的同时产生可能会因气体扩散和活性氧(ROS)的存在而形成爆炸性H₂/O₂气体混合物，使得该反应体系存在安全隐患并缩短了传统全水解电解池的使用寿命。

与此同时，化学品以及生物质衍生物等可作为新型绿色的可再生能源，该领域的研究和应用已获得一定进展并得到了科学家们的广泛关注。对化学品以及生物质衍生物进行催化氧化，并实现其的增值转化已成为非常有意义的研究热点。然而工业上的传统转化方法较为复杂，反应过程中会有较多的副反应发生，导致中间产物过多，直接增大了提纯反应产物的难度并影响了化学品的利用率。除此之外，传统工业方法通常需要高温高压以及精馏裂解等相对苛刻的条件才能实现反应的进行，这个过程能耗较大并且工艺复杂，极大程度地限制了其进一步的发展和大规模应用。同时，依据热力学原理可知，化学品及生物质衍生物的氧化电位远远低于水的氧化电位。因此，采用热力学上更为有利，且极具经济效益的化学品的氧化反应取代反应缓慢、产物价值较低的传统电解水中的水氧化反应，可同时实现低能耗制氢和化学品的室温增值转化，这是一个极具前景和经济效益的研究课题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可降低能耗且能够高效电解水制氢并共生增值化学品的方法及系统。

本发明的技术方案如下：

一种降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统，其中，包括阴极室以及通过交换膜隔开的阳极室，所述阴极室和所述阳极室内设置有电解液，所述阴极室和所述阳极室内的电解液中对应设置有阴极和阳极，所述阴极和阳极均为负载有镍钴双金属氢氧化物的导电基底，所述电解液包括无机碱液和甲醇。

所述降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统，其中，所述交换膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极性交换膜以及质子交换膜。

所述降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统，其中，所述镍钴双金属氢氧化物的负载面积占所述导电基底表面积的10-100％。

所述降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统，其中，所述无机碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

所述降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统，其中，所述导电基底为多孔泡沫镍、多孔泡沫铜或亲水碳布。

所述降低能耗电解水制氢及共生增值化学品的系统，其中，所述阴极室与所述阳极室之间还设置有硅胶垫片。