[发明专利]多孔铅复合镍铁合金催化电极的制备方法及其电解液化煤炭的应用

说明书

本发明公开了一种多孔铅复合镍铁合金催化电极的制备方法及其电解液化煤炭的应用，本发明开发了一种多孔铅复合镍铁合金催化电极，并将其用于煤炭电解加氢液化过程。本发明选择合适的原子摩尔比配制了电沉积镀液，采用电沉积法制备了多孔铅复合镍铁合金催化电极，属催化电极制备技术领域，并且将电极用于电解煤炭实现煤的加氢液化，属煤液化工艺技术领域，首次采用[Omim]Cl离子液体对无烟煤进行溶胀预处理，提高了煤的溶解度，极大地促进了煤的电化学还原活性，首次在煤炭电解液化领域引入离子液体电解液，与传统的NaOH碱性电解液相比，可以有效提高煤炭电解加氢的液化产物产率，达到了工业化水平。

技术领域

本发明涉及一种催化电极的制备方法及其电解液化煤炭的应用，特别是涉及一种Ni-Fe合金催化电极的制备方法及其电解液化煤炭的应用，采用电沉积方法制备了Pb-NiFe电极，属电极制备和应用的技术领域，同时，将电极应用到煤炭的电解液化，属于煤液化工艺技术领域。

背景技术

我国煤炭资源丰富，是我国基础能源和重要原料，根据目前公布的数据，中国已探明的煤炭可采储量占全世界的13％，居世界第二位。但近年来，全球煤炭消耗总量增速开始下降。石油是人类赖以生存和发展的最重要的能源，很多国家石油资源十分匮乏，目前，中国的石油储量为28.9亿吨，随着国民经济的飞速发展，中国石油需求缺口将持续扩大，石油进口不断增加，对外依赖度已超过40％，将煤转化为石油，会在一定程度上发展煤炭可持续发展、缓解石油紧缺、环境恶化等问题。传统液化是目前较为成熟的煤炭液化技术，但反应过程需要在400℃的高温和10Mpa的高压下进行，对反应条件和仪器设备要求相当苛刻。对于煤炭直接液化工艺，煤的电解加氢液化技术是一种条件温和的新型液化方法。

煤的电解加氢液化技术是在特定的电解槽中，将粉碎到一定尺寸的煤与电解液混合搅拌，并添加适量催化剂到反应体系中，使用高效阴极催化电极，对煤大分子进行阴极加氢，通过电化学反应将煤炭转化为可溶性的低分子有机产品。该技术利用电场势能代替了传统工艺中的高温高压的反应条件，具备反应条件温和、设备简单、经济成本低等优点。

煤炭结构极其复杂，是一种化学成分不均一的有机大分子结构，这种结构直接导致煤炭的溶解性极差，研究表明，对煤进行溶胀可以有效提高煤的溶解度，从而提高煤的电解液化反应活性。对于煤的电化学加氢还原液化反应，除了通过溶胀预处理改变煤自身的复杂结构，更为重要的是考虑反应体系的条件优化，这包括电极材料的优化，电解液溶剂和供氢剂的选择，电解池结构的优化和隔膜的选择。其中，电极材料直接决定了煤炭在电极表面的加氢反应效率，催化电极可以提高煤炭电解加氢液化的电流效率，减少副反应造成的电流损失，提高煤炭的电解加氢液化效率，还可以提高供氢剂中活性氢的传递速率，抑制自由基的缩聚反应，提高反应的选择性，有助于脱出煤中N、S和O等杂原子，提高油产品质量。另外，电解液也是重要因素，引入离子液体作为电解质，能有效解决电解液的挥发、碳酸化和枝晶等问题，还能拓宽化学反应的电化学窗口，对煤中共价键及非共价键等破坏能力更强，有利于煤炭的电解液化。

目前煤炭电解加氢液化中的电极如Pd电极、Ni-B电极，还存在催化效率不足，表面积小，电极重复使用性差等缺点。Ni-Fe合金是析氢反应中催化性能较好的二元合金，同时铁基和镍基催化剂对煤的直接液化具有良好的催化性能。一方面有大量文献报道了Ni-Fe在析氢反应上的良好催化效果，成为国内外研究人员关注的焦点，将其应用到加氢反应，但是煤电解液化加氢方面却鲜有研究。另一方面Ni和Fe金属催化剂对于煤液化的研究主要集中在高温高压的多相催化反应，证实了Ni和Fe对于煤液化具有很高的催化活性。在此基础上猜测Ni-Fe合金对于煤炭是否具有较好的电化学加氢催化活性还需要加以验证。

为了提高电极的催化效果，需要尽可能制备富含高效稳定催化组成相的催化电极。电化学沉积方法操作简单，价格低廉，可以制备高效稳定的合金电极。但目前使用的电极成本较高，电极吸附活性氢的能力有限，电极表面积小，催化作用效果和稳定性还不理想，电极重复使用性差，因此影响了煤的电解加氢液化工业的发展。

发明内容