[发明专利]一种高效制备氢气和卤化银的装置及方法

说明书

本发明涉及一种高效制备氢气和卤化银的装置及方法，所述高效制备氢气和卤化银的装置包括：含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液作为电解液；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；所述阳极为金属银；所述阴极为耐蚀性导电材料。

技术领域

本发明涉及一种稳定高效制氢且同时获得卤化银的装置和方法，属于制氢领域。

背景技术

随着环境污染和能源危机的加剧，寻求可替代化石燃料的新能源已经成为一个研究热点。在众多的新能源中，氢能作为21世纪最理想的能源之一，具有来源广、能量密度高、可储存、可再生、零污染等优势。

目前超过90％的氢都来自化石燃料转化，制氢过程不环保、制氢效率低等问题使得现有的制氢方法难以满足未来氢能经济对氢气的大规模需要。而电解水技术产氢，可实现CO₂的零排放，约占全世界4％～5％的氢气生产量。目前商品化的水电解制氢装置的操作压力为0.8至3Mpa，操作温度80至90℃，能效在72％～82％之间，制氢纯度高达99.7％。折算下来，制氢成本相当于30～40元/kg。由于价格因素影响，仅限于应用在对氢气纯度要求较高的精密电子器件制造行业。

电解水制氢价格高的因素主要有以下几点：(1)阳极和阴极均产生气体，为防止气体混合，通常使用隔膜将其隔开，隔膜通常采用价格昂贵的离子交换膜，在运行过程中，隔膜容易堵塞和损坏，水预处理要求高，且需要经常冲洗，从而导致生产效率低，设备制造和运行成本高；(2)反应过程中具有过高的氧气析出反应(OER)过电位，这意味着必须用较高的电压才能促使反应发生，导致电解过程能耗较高。

发明内容

为解决电解水制氢价格高昂的问题，需要从原理上设计一种高效反应体系，来降低反应过程中的高电动势以及较高的生产成本。为此，本发明提供了一种高效制备氢气和卤化银的装置及方法。

一方面，本发明提供了一种高效制备氢气和卤化银的装置，包括：

含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液作为电解液；

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)；

所述阳极为金属银；所述阴极为耐蚀性导电材料(例如铂，石墨棒，过渡金属或其复合材料等)。通常情况下，银离子比氢离子更容易在阴极还原从而阻碍产氢，或在Ag电极表面生成难溶固体(如氯化银)阻碍反应进行，使得反应不可持续。本发明特地通过调控卤族元素离子的浓度，使银离子与卤族元素结合生成难溶固体，抑制银离子向阴极迁移，且难溶固体在电极附近产生，而不是在电极表面，可以防止“银离子逐渐在阴极析出阻碍出氢气，或在阳极表面生成难溶产物阻止反应进行”。

较佳的，所述耐蚀性导电材料选自铂、石墨和过渡金属中的至少一种(具体材料不限，这些只是例举)；所述含有硝酸和卤族元素离子的混合溶液中卤族元素离子选自Cl^-和Br^-中的至少一种。

较佳的，所述电解液中硝酸的浓度为0.5M～6M，优选为1M～2M。

较佳的，所述电解液中卤族元素离子的浓度为1mM～0.1M，优选为0.01M～0.05M。

较佳的，所述装置还包括用于容纳电解液的壳体。

又，较佳的，在靠近阴极的壳体的一侧，设置有第一入口(3)，用于输入硝酸溶液；或/和，在靠近阳极的壳体的一侧，设置有第二入口(4)，用于不断补充卤族元素离子溶液。

又，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，设置有第二出口(7)，用于输出电解液。

另一方面，本发明还提供了一种高效制备氢气和卤化银的方法，采用权利要求1-7中任一项所述的高效制备氢气和卤化银的装置，通过外接电源输入电流或电压，实现氢气和卤化银的高效制备。