[发明专利]常温常压下电催化深度脱除氢气中氧气得到高纯度氢气的方法

说明书

本发明涉及一种常温常压下电催化深度脱除氢气中氧气得到高纯度氢气的方法，采用气体扩散电极电解池，将催化剂喷涂到气体扩散层基底上(包括导电碳纸和催化剂等)制备气体扩散电极，阴阳极间用离子交换膜隔离。反应气体中含有一定浓度的氧气杂质，采用三电极或两电极体系恒电压法进行电化学性能测试，连续深度脱除含杂氢气中的氧气杂质。采用本发明的方案，通过调控合适的电压范围，氧气的剩余浓度可降低至1ppm以下，氢气的纯度达到99.9999％以上。与传统技术相比，该法可在常温常压下高效地将氢气中的氧气还原去除，具有绿色、安全、低成本、高效率等明显优势，更符合绿色化工的要求，具有广阔的实际应用前景。

技术领域

本发明属于气体纯化领域，涉及一种常温常压下电催化深度脱除氢气中氧气得到高纯度氢气的方法。本方法利用气体扩散电极的三相反应特点，利用电解池阴极氧还原反应连续高效地除去氢气中的氧气杂质，整个过程无污染、耗能低，符合绿色化学理念。

背景技术

随着人们对能源和环境问题的不断关注，为减小对石油、天然气等不可再生能源的依赖，氢能源由于其清洁、高效、来源广等特点备受人们的青睐。近年来，氢能源在燃料电池、半导体工业、冶金工业、食品工业、医疗、航天等多个领域都发挥着极其重要的作用。

常用的制氢方法包括化石燃料制氢、工业副产物制氢、光/光电/电解水制氢等：化石燃料制氢和工业副产物制氢制得的氢气纯度较低，约为70～95％(Fuel,2019,253,722–730)；光解水目前效率太低；电解水可由可再生能源驱动，且在产氢过程中无CO₂或其他环境不友好的副产物产生，氢气纯度较高，因此有望成为未来规模制氢技术。由于电解水过程中阴阳极之间存在氧穿梭，导致电解水得到的氢气中含有少量O₂杂质，目前电解水制得的氢气纯度最高约为99.9％。然而，很多产业对氢气纯度要求较高，氢气的杂质含量须在ppb级别。我国GB/T 3634.1-2006《氢气第1部分工业氢》技术要求中规定，高纯氢纯度标准为99.999％，目前国内外燃料电池的用氢已普遍基于此标准。半导体工业中多晶硅的生产过程要求氢气的纯度达到99.9999％以上。因此，氢气中氧气的深度脱除成为一个亟待解决的问题。

现阶段，氢气纯化和分离的主要方法包括传统热催化纯化、金属氢化物分离、变压吸附、低温分离、贵金属钯膜扩散等方法，其中金属氢化物分离、热催化纯化和钯膜扩散等方法由于其产品氢气纯度较高(≥99.999％)被广泛关注和应用。金属氢化物分离需要氨气吹扫，氢气的回收率较低；专利CN 109012660公开了一种热催化纯化H₂的Pt基催化剂，最终产物纯度高、回收率高，但反应温度较高(≥130℃)，耗能高，贵金属Pt成本高；钯膜扩散是目前应用最广泛的氢气纯化方法，但钯元素在地壳中的含量很低、成本高昂，且气体扩散需要较大压强，具有一定危险性。综上所述，亟待开发一种低成本、低耗能、高效率的深度脱除氢气中氧气杂质的绿色方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种常温常压下电催化深度脱除氢气中氧气得到高纯度氢气的方法。

技术方案

一种常温常压下电催化深度脱除氢气中氧气得到高纯度氢气的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、气体扩散电极的制备：将气体扩散层材料置于平板加热台上，加热温度为20～200℃，将催化剂浆料均匀地喷涂在气体扩散层材料上，干燥后得到气体扩散电极即电解池的阴极；

所述催化剂粉末包括但不限于：Pt、Pd、Pt或Pd与非贵金属合金、金属氮化物/氧化物、金属酞菁、碳材料、碳-非金属化合物类催化剂、基于Pt、Pd、Fe、Co、Ni、Cu、Zn的单原子催化剂；

制作电解池的阳极时，在导电基底上喷涂催化剂粉末；所述催化剂粉末包括但不限于：Ir、Ru基催化剂和基于Fe、Co、Ni非贵金属元素的催化剂催化水分解产氧、有机物选择性氧化或金属氧化等阳极氧化反应；