專利名稱：電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電解制氫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法。
背景技術(shù)：
氫氣是一種二次能源，也是一種化工原料，大量用于合成氨、化工、造紙、環(huán)境保護(hù)、電子、食品、醫(yī)藥、紡織、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)廢料加工等行業(yè)。但是地球上絕大多數(shù)的氫是以化合物的形式存在的，因此如何將氫從含氫化合物中高效的提取出來(lái)成為制氫領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前常用的制氫方法有水電解法、烴類的水蒸氣重整制氫方法及重油(或渣油)部分氧化重整制氫方法。烴類水蒸氣重整及重油氧化制氫由于碳?xì)浠衔镌蟽?chǔ)量有限已經(jīng)接近枯竭，因此在制氫方面具有一定局限性。同時(shí)，烴類水蒸氣重整及重油氧化制得的氫氣純度不夠高，總是含有少量的一氧化碳，不能滿足對(duì)氫氣純度要求高和對(duì)一氧化碳敏感的化學(xué)工業(yè)的需求。水在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，可以大量的用來(lái)電解制取氫氣。水電解法制取的氫氣純度比烴類水蒸氣重整及重油氧化制得的氫氣純度更高，但是水電解方法制氫效率低下，能量消耗大，制取的氫氣成本比烴類水蒸氣重整及重油氧化制取的氫氣更高。因此如何提高電解水的電解效率，降低能量消耗就成為規(guī)模化制氫的關(guān)鍵問(wèn)題。
過(guò)氧化氫俗稱雙氧水，具有幾乎無(wú)污染的特性，被稱為“最清潔”的化工產(chǎn)品?？勺鳛檠趸瘎⑵讋?、消毒劑、脫氧劑、聚合物引發(fā)劑和交聯(lián)劑，過(guò)氧化氫廣泛應(yīng)用于化工、造紙、環(huán)境保護(hù)、電子、食品、醫(yī)藥、紡織、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)廢料加工等行業(yè)。
現(xiàn)有的電解水制取氫氣和氧氣的方法，其理論電解電壓為1.23V，但是由于在電解池內(nèi)存在諸如電阻、氣泡、超電勢(shì)以及濃差極化等因素引起的損失，電解池的操作電壓在1.7V～2.5V之間，每生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3的氫氣，需要消耗4～5kWh的電能，工業(yè)化電解制氫消耗電量大、成本較高，因此其大規(guī)模應(yīng)用受到一定限制。其電解能耗高的主要原因是陽(yáng)極氫氣析出需要的能量高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有電解制氫方法的不足之處，提供一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，巧妙地回避了電解水時(shí)陽(yáng)極析出氧氣，而代之以在電解液中加入表面活性劑，表面活性劑能夠促使陽(yáng)極生成過(guò)氧化氫，因此可以在較低的電解電壓下制取氫氣和過(guò)氧化氫，與傳統(tǒng)的電解水制取氫氣和氧氣方法相比，該方法具有電解電壓低、同時(shí)能夠獲得比氧氣具有更高經(jīng)濟(jì)附加值的過(guò)氧化氫等特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，利用市場(chǎng)上的商品化原料，在含有表面活性劑的酸性水溶液中，以碳電極為陽(yáng)極和陰極，直流電條件下，進(jìn)行電解制取氫氣和過(guò)氧化氫的具體方法步驟如下(1)制備電解液按酸性溶液∶表面活性劑的摩爾比為1∶0.01～0.2的比例配置，先將酸性溶液用蒸餾水稀釋為0.1～4mol/L的酸性水溶液，再在酸性水溶液中加入表面活性劑，攪拌均勻，就制備出表面活性劑濃度為5～100mmol/L的酸性水電解液。
其中酸性溶液為濃硫酸或高氯酸。表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨或十二烷基吡啶溴化銨或十二烷基二甲基甲苯溴化銨。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有表面活性劑的酸性水電解液加入電解槽中，并放入碳電極陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加0.1～10mA.cm-2直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
其中碳電極為碳紙電極或碳布電極。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，主要有以下效果1、本發(fā)明在電解水溶液中添加了表面活性劑，表面活性劑的陽(yáng)離子基團(tuán)能促使陽(yáng)極生成過(guò)氧化氫，同時(shí)能夠獲得比氧氣具有更高經(jīng)濟(jì)附加值的過(guò)氧化氫。
2、本發(fā)明電解水過(guò)程中生成的是氫氣和過(guò)氧化氫，與電解水直接生成氫氣和氧氣相比，電解電壓降低了。從實(shí)施例1～4可以看出加入表面活性劑后電解電壓降低了0.3～0.9V不等。
3、本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短，又由于采用市場(chǎng)上的商品化原料，生產(chǎn)成本低，便于推廣應(yīng)用。
采用本發(fā)明制備出的氫氣和過(guò)氧化氫，可廣泛應(yīng)用于化工、造紙、環(huán)境保護(hù)、電子、食品、醫(yī)藥、紡織、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)廢料加工等行業(yè)。
四

圖1為本實(shí)施例1～4的電壓-時(shí)間曲線圖。
圖中曲線1是以碳紙為陽(yáng)極和陰極，未加表面活性劑的硫酸水電解液，在1mA.cm-2直流電條件下的電壓-時(shí)間曲線。
曲線2是以碳紙為陽(yáng)極和陰極，十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑濃度為5mmol/L的硫酸水電解液，在1mA.cm-2直流電條件下的電壓-時(shí)間曲線。
曲線3是以碳紙為陽(yáng)極和陰極，十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑濃度為30mmol/L的硫酸水電解液，在1mA.cm-2直流電條件下的電壓-時(shí)間曲線。
曲線4是以碳布為陽(yáng)極和陰極，十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為100mmol/L的高氯酸水電解液，在1mA.cm-2直流電條件下的電壓-時(shí)間曲線。
曲線5是以碳紙為陽(yáng)極和陰極，十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液，在1mA.cm-2直流電條件下的電壓-時(shí)間曲線。
五具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1、一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.01的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的硫酸水溶液，再在0.5mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為5mmol/L的硫酸水電解液。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫，還測(cè)量并記錄其電壓隨時(shí)間的變化情況，得出電壓-時(shí)間曲線2。
實(shí)施例2、一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.06的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的硫酸水溶液，再在0.5mol/L硫酸水溶液中加入十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑濃度為30mmol/L的硫酸水電解液。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫，還測(cè)量并記錄其電壓隨時(shí)間的變化情況，得出電壓-時(shí)間曲線3。
實(shí)施例3、一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按高氯酸∶十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.2的比例配置，先將高氯酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的高氯酸水溶液，再在0.5mol/L高氯酸水溶液中加入十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑濃度為100mmol/L的高氯酸水電解液。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑的高氯酸水電解液加入電解槽中，并放入碳布陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫，還測(cè)量并記錄其電壓隨時(shí)間的變化情況，得出電壓-時(shí)間曲線4。
實(shí)施例4、一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.12的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的硫酸水溶液，再在0.5mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫，還測(cè)量并記錄其電壓隨時(shí)間的變化情況，得出電壓-時(shí)間曲線5。
實(shí)施例5、一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.12的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.1mol/L的硫酸水溶液，再在0.1mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加0.1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
實(shí)施例6、一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.12的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為4mol/L的硫酸水溶液，再在4mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液。
(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加10mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)按傳統(tǒng)電解水制取氫氣和氧氣的方法的具體步驟如下
將0.5mol/L的硫酸水溶液中加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的氧氣，測(cè)量并記錄其電壓隨時(shí)間的變化情況，得出電壓-時(shí)間曲線1。
本發(fā)明的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)施例1～4以碳紙或碳布為陽(yáng)極和陰極，在不同濃度表面活性劑的酸性水電解液中，在1mA.cm-2直流電條件下，電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫，測(cè)量并記錄其電壓隨時(shí)間的變化情況，得出電壓-時(shí)間曲線。從圖1中的曲線計(jì)算出實(shí)施例1～4與對(duì)比實(shí)驗(yàn)的電解電壓差值，如下表所示

從表中可以看出加入表面活性劑后，電解水制取氫氣的電解電壓降低了0.3～0.9V不等。
權(quán)利要求
1.一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于具體的方法步驟如下(1)制備電解液按酸性溶液∶表面活性劑的摩爾比為1∶0.01～0.2的比例配置，先將酸性溶液用蒸餾水稀釋為0.1～4mol/L的酸性水溶液，再在酸性水溶液中加入表面活性劑，攪拌均勻，就制備出表面活性劑濃度為5～100mmol/L的酸性水電解液；(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有表面活性劑的酸性水電解液加入電解槽中，并放入碳電極陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加0.1～10mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
2.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于所述的酸性溶液為濃硫酸或高氯酸；所述的表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨或十二烷基吡啶溴化銨或十二烷基二甲基甲苯溴化銨；所述的碳電極為碳紙電極或碳布電極。
3.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.01的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的硫酸水溶液，再在0.5mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為5mmol/L的硫酸水電解液；(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
4.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.06的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的硫酸水溶液，再在0.5mol/L硫酸水溶液中加入十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑濃度為30mmol/L的硫酸水電解液；(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十二烷基吡啶溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
5.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按高氯酸∶十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.2的比例配置，先將高氯酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的高氯酸水溶液，再在0.5mol/L高氯酸水溶液中加入十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑濃度為100mmol/L的高氯酸水電解液；(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十二烷基二甲基甲苯溴化銨表面活性劑的高氯酸水電解液加入電解槽中，并放入碳布陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
6.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.12的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.5mol/L的硫酸水溶液，再在0.5mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液；(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
7.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.12的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為0.1mol/L的硫酸水溶液，再在0.1mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加0.1mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
8.按照權(quán)利要求1所述的電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，其特征在于一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法的具體步驟如下(1)制備電解液按濃硫酸∶十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的摩爾比為1∶0.12的比例配置，先將濃硫酸用蒸餾水稀釋為4mol/L的硫酸水溶液，再在4mol/L硫酸水溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑，攪拌均勻，就制備出十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑濃度為60mmol/L的硫酸水電解液；(2)進(jìn)行電解第(1)步完成后，將第(1)步制備出的含有十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑的硫酸水電解液加入電解槽中，并放入碳紙陽(yáng)極和陰極，然后在電極上施加10mA.cm-2的直流電進(jìn)行電解，并分別收集陰極析出的氫氣和陽(yáng)極生成的過(guò)氧化氫。
全文摘要
一種電解水制取氫氣和過(guò)氧化氫的方法，屬于電解制氫技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明直接利用市場(chǎng)上的商品化原材料，在含有表面活性劑的酸性水溶液中，以碳電極為陽(yáng)極和陰極，在電極兩端加上直流電進(jìn)行電解制取氫氣和過(guò)氧化氫。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、電解電壓低、電解效率高和能量消耗低等特點(diǎn)。采用本發(fā)明制備出的氫氣和過(guò)氧化氫，可廣泛應(yīng)用于化工、造紙、環(huán)境保護(hù)、電子、食品、醫(yī)藥、紡織、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)廢料加工等行業(yè)。
文檔編號(hào)C25B1/28GK101054677SQ20071007819
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者魏子棟, 陳四國(guó), 孫才新, 季孟波 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)