[发明专利]一种电化学制氢工艺

说明书

本发明公开了一种电化学制氢工艺，采用电解反应装置电解水产出氢气；电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极；阳极工作电极中存在阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁和氢氧化钠亚铁中的至少一种；且在电解水时，电解池中添加有还原性糖类物质。本发明将还原性糖类作为反应底物，在阳极工作电极发生化学链氧化还原反应，当该反应取代析氧反应并与析氢反应相结合时，可以在低电位下实现高效制氢。同时，与氧析出反应相比，化学链氧化反应不仅可以在较低的电位下发生，而且还能避免氧气的生成，从源头消除安全隐患。

技术领域

本发明属于氢能源领域，具体涉及一种电化学制氢工艺。

背景技术

氢气具有能量密度高、无毒、环保等优点，是一种很有发展前景的可再生能源。目前，电催化裂解水已成为电化学制氢的主要商业化方法之一。现有技术中一般通过电解反应装置对水进行直接电解，众所周知，电解水是由两个半反应组成，包括析氢反应和析氧反应，在电解水反应中，析氧反应是四电子转移反应，反应历程复杂，需要较高电位驱动(大于1.23V)，因此，析氧反应是整个电解水反应的速率控制步骤，也是关键的能耗反应。由于上述两种反应之间的电位差较大，整个电化学制氢的耗电量较大，从而制约了电化学制氢的发展。因此，研究低成本、高效、安全的电解水制氢方法是当前研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服背景技术中传统电化学制氢工艺耗电量过大的不足和缺陷，提供一种可显著降低氧化电位和整体生产能耗的电化学制氢工艺。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：

一种电化学制氢工艺，具体步骤为：采用电解反应装置电解水产出氢气；电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极；阳极工作电极中存在阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；且在电解水时，电解池中添加有还原性物质。

上述技术方案的设计思路在于，为了解决背景技术中提到的阳极氧化电位过高、两极反应电位差过大导致的电化学制氢工艺耗电量大、成本高的问题，现有技术一般通过利用生物质氧化来降低阳极氧化电位，其作用原理是，生物质的电化学氧化的过程能够产生较低的阳极氧化电位，但发明人经研究后发现，电极材料及其催化层中某些金属元素的电氧化过程往往能够产生比常规生物质氧化更低的阳极氧化电位，然而这些金属元素从低价态到高价态的氧化过程通常是不连续的，使得催化剂的电化学性能将不断下降，因此无法有效解决阳极氧化电位过高的问题；而本发明通过在电解水时向电解池中添加还原性物质，可将催化剂中已电化学氧化的金属元素还原至原始价态，保证了催化剂中金属元素得以不断氧化，使得整个化学链氧化反应连续进行，从而取代析氧反应，从根本上改变了阳极反应机理，降低电解电压，从而提高电能利用效率，减少电解制氢的能耗和成本。

将上述原理以铜基催化剂为例进行说明：铜(Cu)基催化剂材料由于导电性好、成本较低等优点已被应用广泛，Cu(I)电化学氧化成Cu(II)的过程能够产生较低的阳极氧化电位(小于1.0V)，但此氧化过程是不连续的，随着Cu(I)不断氧化为Cu(II)，溶液中的一价铜离子不断被消耗，使得催化剂电化学性能变差。而本发明添加的还原性物质能将Cu(II)还原为Cu(I)，从而使得Cu基化学链氧化反应连续，当该反应取代析氧反应并与析氢反应相结合时，即可实现在低电位下高效制氢。

一种电化学制氢工艺，具体步骤为：采用电解反应装置电解水产出氢气；电解反应装置设置有阴极工作电极和阳极工作电极，且阴极工作电极与阳极工作电极通过隔膜隔开；阳极工作电极中存在阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括金属单质和金属氢氧化物中的至少一种；且在电解水时，阳极电解池中添加有还原性物质。

本技术方案的原理与上述技术方案相同，由于隔膜将电解池分成了阳极和阴极电解池，而催化剂的金属化学链氧化反应在阳极发生，因此还原性物质需添加至阳极电解池中。

作为上述技术方案的进一步优选，阳极催化剂层的材料包括氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁和氢氧化钠亚铁中的至少一种。