[发明专利]一种高效制备氢气和镍化合物的装置及方法

说明书

本发明涉及一种高效制备氢气和镍化合物的装置及方法，所述高效制备氢气和镍化合物的装置包括：含有卤族元素离子的中性或酸性水溶液作为电解液；分布在电解液中的阳极和阴极；以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源；所述阳极为金属镍；所述阴极为导电材料。

技术领域

本发明涉及一种高效制备氢气和镍化合物的装置及方法，属于制氢技术领域。

背景技术

H₂是一种环境友好、资源丰富且能量密度高的可再生能源，是化石燃料的最佳替代品之一。利用可再生太阳能驱动电化学水裂解是生产H₂燃料的绿色途径，电解水制氢可以分为两个半反应：阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)，其中OER涉及四电子过程，因其具有缓慢的动力学过程，且是HER的电子供体，被认为是电解水制氢高能耗的主要瓶颈问题。为降低电解制氢能耗，需要从原理上寻找一种高效反应体系，降低电解水制氢的电动势。

鉴于阳极的OER需要较大的过电位，并且其阳极产物氧气不仅价值低，还可能会与氢气形成爆炸性混合物，造成危险。选用另一种易氧化的物质的氧化反应来取代析氧反应是一种可行的方法，即阳极易氧化物质发生氧化反应而给阴极制氢反应提供电子供体。

镍是一种容易被氧化的金属，理论上，镍可通过电化学方式氧化，在阳极获得镍离子，在阴极得到氢气，理论标准电动势为0.257V，远低于电解水产生氢气和氧气的反应电动势(1.23V)，因此镍氧化反应与析氢反应耦合可能在较低的能耗下实现电解制氢。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种稳定高效的镍电解制氢和镍化合物的装置及电解方法。

一方面，本发明提供了一种高效制备氢气和镍化合物的装置，包括：

含有卤族元素离子的中性或酸性水溶液作为电解液；

分布在电解液中的阳极(1)和阴极(2)；

以及用于连接在阳极和阴极表面的外接电源(5)；

所述阳极为金属镍；所述阴极为导电材料(如铂、镍、石墨、过渡金属或其复合材料)。

在本公开中，将金属镍连接电源的正极，导电材料连接电源的负极，都置于含有卤族元素离子的中性或酸性溶液中，接通电源，金属镍在阳极发生氧化反应生成镍离子，在较高浓度的卤族元素离子(例如，氯离子、溴离子等)作用下，金属镍的氧化过程不会发生钝化。金属镍氧化反应向阴极制氢反应提高电子供体，氢离子在阴极处还原从而生成H₂。

较佳的，所述含有卤族元素离子的中性或酸性水溶液中卤族元素离子的总浓度不小于0.1M。所述导电材料选自铂、镍、石墨、过渡族金属中的至少一种(具体材料不限，导电即可，这些只是例举)。

又，较佳的，所述电解液中卤族元素离子的浓度0.5M～5M，优选为1M～5M，更优选为3M～5M。

较佳的，所述卤族元素离子的前驱体为卤化钾、卤化钠、HCl、HBr中的至少一种。

较佳的，所述装置还包括用于容纳电解液的壳体。

较佳的，在靠近阳极或/和阴极的壳体的一侧，设置有第一入口(3或4)，用于输入电解液。

较佳的，在靠近阴极的壳体的上方，设置有第一出口(6)，用于输出H₂；或/和在壳体的下方，设置有至少一个第二出口(7)，用于输出电解液。

另一方面，本发明提供了一种高效制备氢气和镍化合物的方法，采用上述高效制备氢气和镍化合物的装置，通过外接电源输入电流或电压进行反应，实现氢气和镍化合物的高效制备。

较佳的，所述电压为0～3V。所述电流为0.001～2A。

较佳的，反应的温度为0℃～100℃；优选，所述反应的温度为25℃～70℃