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电解煤水制氢现状前景、反应机理、工艺因素

来源:毛宗强等 编辑:James&Ani 时间:2019-01-10 09:33:14

导读:1、电解煤水制氩的研究现状和前景;2、电解煤水制氢的反应机理;3、电解煤水制氢工艺的影响因素。

氢能作为21世纪的绿色能源,已受到全世界广泛的重视。然而,氢气从何而来,如何制氢、储氢和运输已是必须解决的问题。没有氢气, PEMFC燃料电池等高新科技的发展将受到严重阻碍。所以廉价、高效和清洁的制氢技术显得尤为重要。我国是以煤炭为主要能源的国家,但是目前煤炭利用率低,污染严重。发展洁净煤技术,提高煤炭利用效率、减少污染物排放对我国国民经济发展具有重要的现实意义。电解煤水制氢技术综合了煤的清洁利用和新能源氢能的开发两大时代课题,无论在改变人们的生活方式,还是在提高能源高效利用,减少对其他国家能源的依赖性以及对社会可持续发展、社会稳定、全球和平等方面的意义都是不言而喻的。

电解煤水制氩的研究现状和前景

煤的电解大约从20世纪30年代早期就有报道,但进一步发展可能由于使用了高阻抗和低反应速率的电解池而受阻。1979年 COughlin和 FarOOque45在 Nature”杂志上发表了煤水电解制氢的文章,1980年和1982年又发表了类似的文章[46~48],自此该技术进入了实质性的硏究阶段。 Coughlin和 Farooque首次提出在酸性介质中电解煤水制取气体产品,在阳极上得到CO和CO2,阴极上得到氢气。过程可在常温下进行,电解电位为1.0V,阴极析氢效率接近100%,这发现大大提高了电化学家对煤在酸性介质中电解过程特性的研究兴趣。起初, COughlin和 FarOOque并不是想从电解煤粉的阳极上制取什么产物,而只是把煤作为一种阳极去极剂,以降低电解水制氢的槽电压。实验结果表明,电解煤浆液制氢的槽压仅为电解水制氢槽压的一半左右。他们同时还提出用煤浆液代替湿法冶金中的电解液,可使电解能耗降低。此后,煤的电化学转化新工艺引起电化学家们的极大兴趣。1982年后,Park等[49~51]对煤浆的氧化机理进行了研究,他们认为煤炭电解氧化与煤炭中的杂质铁离子有很大的关系。 Bockris等[5253]认为电解煤炭制氢并不是一种有效的制氢方法,因为电解煤浆制氢过程中即使有铁离子存在时,电解电流仍不理想,离实用化还有较大差距。因为电解效率不理想,在接下来的10年间没有实质性进展。1995年Ahn等[54]对煤炭在碱性溶液中的氧化进行了报道,他们对阳极上煤炭的氧化(C+2H2O→→CO2+4H+4e)和氧气析出(4OH→2H2O+O2+4e)两竟争反应的硏究表明,煤炭在阳极可以进行有选择性的氧化。此后的10年,该课题的研究并无多大进展。

2004年的夏威夷美国电化学会上,来自俄亥俄州立大学的Botte教授做了煤炭电解制氢的学术报告[55]。在之后的几届电化学会议上,他也就自己的研究工作做了一系列的相关报道。 Botte教授硏究了溶液催化剂及其电解工艺条件对煤浆电解制氢效率的影响,在改进工艺条件方面做了有益的工作,他研究了二元贵金属合金(直接购买于 Alfa Aesar公司的不同比例的金属合金)电极对电解煤浆制氢性的影响,在改进工艺条件和加入Fe3Fe2后,电解电流密度和电解效率得到了较大的提高。近期又硏究了以碳纤维布为基体的贵金属催化电极作为煤浆电解的阳极,相同条件下的电解电流得到了很大的提高,取得了较好的成果,使煤浆电解制氢这一研究课题在实用化进程上向前迈进了一大步。早在2004年11月美国爱迪生材料技术中心( EdisOn Materials TechnOlOgy Center, EMTEC)就已经同意资助该项目,主要目标为设计新型的煤炭电解制氢装置。该装置所产生的氢气最终可供5kM的燃料电池运行1年。美国能源部对此项目也表示出了极大的兴趣。但以碳纤维布为基体的催化电极用作阳极,电极本身会有一定的氧化反应发生,所以电解过程中的电解电流可能会有一部分来自于碳纤维的氧化反应所产生的电流,并且这样也会很大程度上影响电极的使用寿命。故寻求具有高活性、低成本、长寿命的电催化阳极是这一新的制氢方法实用化的关键问题之一,然而相关方面的研究至今鲜有报道[5]。日本、澳大利亚等国仅有极少量的与电解煤水制氢相关的研究文献。

我国虽然是一个煤炭利用大国,山西煤化所和上海焦化厂等都进行了大量煤炭高温气化的硏究工作,但就电解煤水制氢方面的研究起步较晚,我国最早研究电解煤水制氢的是北京石油大学,1982年石油大学戴衡、赵永丰等[58]以硫酸溶液为介质,以铂网为电极进行煤电解制氢的硏究,其中采用了我国的种烟煤、五种褐煤,过程中阴极气体为氢气,产氢电流效率为100%,阳极气体为CO2和少量CO。1990~1992年唐致远等[59]对煤在碱性介质和酸性介质中的电解行为都做了研究,探讨了提高反应温度、增强反应强度的方法,选择考察了各种氧化还原对。2007年印仁和等[60首次对我国煤炭进行了电解制氢的工艺条件探讨,用自制Pt催化电极和PT催化电极为工作电极,分别硏究了反应过程中煤浆浓度、电解温度、电解质硫酸的浓度、不同煤种、不同溶液催化剂Ce4、Fe(CN)。、Fe3+及Fe2+Fe3+对电解制氢的影响。到目前为止,煤炭电解制氢的实质性硏究在国外也刚刚起步,而在国内尚属一个全新的极具研究价值的研究课题,在不久的将来,该课题必将成为一个全球研究的热点。

电解煤水制氢的反应机理

反应机理

Coughlin和 Farooque47将水煤浆电解制氢的反应机理归结为以下过程:

4H+4e2氢气↑(1-21)

如果认为阳极反应为:

C(s)+2H2O(1)—4H+CO2+4e(1-22)

则煤浆液电解的总反应应为:

C(s)+2H2O(1)2氢气↑+CO2↑(1-23)

为了使反应(1-23)在适当的温度下进行,需给电解槽施加足够的电压。 Anthon等人发现了铁离子在反应过程中的重要作用,认为在阳极室内发生Fe2电化学氧化和Fe3对煤的化学氧化两种反应。

实现电解煤水制氢这一过程的电解装置如图15所示。

924.jpg

将阴极室用多孔隔膜与阳极室隔开,多孔隔膜阻止煤粉与阴极接触,但允许溶解在阳极电解液中的物质通过。煤浆液用磁力搅拌器搅拌。研究中最常用的电解质溶液是H2SO4H3PO4和CF3SO3H.H2O,也有用HC、Na2CO3、CH3COOH、HCO4的。煤经粉碎过筛后,取一定数量加入电解质溶液中,形成煤浆悬浮液。阳极一般采用Pt或石墨,阴极则采用P或Pb。如果用NaOH或KOH为电解质溶液可用N为阳极、Fe为阴极。为促进煤的电解,需要加入FeSO4或Fe2(SO4)3作为催化剂,也有加入ce4+,Cr3+,V5+的反应式(1-23)在25℃时的理论分解电压为021V。大量实验工作表明阳极室加入煤粉后,电解制氢反应可以在1.0V下进行,析氢的电流效率接近100%,但阳极室只能形成少量CO2,远远低于依据法拉第定律所应获得的值,这表明阳极反应并非如反应式(1-22)那样简单,还有其他反应发生。

实践证明[67],在煤水电解制氢过程中,阳极氧化电流除了用于形成CO2外,还存在着其他氧化反应。目前普遍认为,阳极氧化电流的很大一部分是由煤中的可反应部分氧化生成有机化合物引起的,从色谱质谱联机的分析结果可以清楚地看到这一点煤浆液在电解前用sep-Pak法分离,然后进行分析,只发现有少量的醇和酚。煤浆液经过电解后,阳极室出现了电解前并不存在的多种有机化合物,这些化合物主要是C8~C19的烃和一些醇。

既然电解前在煤水中有少量醇和酚存在,那么经电解氧化生成烃的合理反应有可能是:

CH3(CH2)n-CH2OH+H2O→→CH3-(CH2) n--COOH

(1-24)

2cH3-(CH2)n=C00H反应CH3-(CH)n

CH2+2CO2+2H++2e

(1-25)

显然,这是有机物在电极上直接氧化的机理。

Baldwin等[68从伏安研究中提出煤水中电解电流主要是Fe2+的氧化得到的,Fe2是从煤中萃取到强酸电解液中的。 Okada等也认为溶解在电解液中的Fe'/Fε3'氧化还原对是使煤糊电解阳极过电位降低的主要原因。1982年 ROuge等对煤浆的氧化机理进行了研究,他们认为煤炭电解氧化与煤炭中的杂质铁离子有很大的关系,当煤加入H2SO4溶液中时,浆液里就有Fe2存在,Fe2+在阳极上被电解氧化生成Fe3+,Fe3通过化学反应对碳进行了氧化,即:

Fe2+→Fe3+e(1-26)

4Fe3+C+2H2O→CO2+4Fe2+4H+其他产品(1-27)

这里Fe3将煤氧化成其他产品是造成电解阳极电流维持较长时间的原因。煤电解氧化过程是个煤催化氧化过程。在系统中添加更好的催化剂如ce和∨等会明显提高催化速率,增加氧化电流。目前,大多数人认为煤电解氧化是按照间接电催化机理进行的。

电解煤水制氢工艺的影响因素

改善电解煤水制氢的工艺条件是有效提高煤水电解制氢技术的关键。煤水的电解制氢过程受诸多工艺因素的影响,包括槽压、煤种类、煤浆浓度与煤颗粒大小、电解质膜材料、电解电位、温度、酸浓度、搅拌速率等。

(1)槽压的影响

①减少电解液的电压损失。由欧姆定律得:

925.jpg

由上式可知,电解液的电压损失与电解液的电导率成反比,因此一选用电导率较高的电解溶液作为电解液,降低溶液电阻。此外电解液的电导率还与电解液旳浓度、煤颗粒的浓度、搅拌速率及温度有关。升温后电解液的电导率随之増加;搅拌可以加快煤颗粒与电极的接触,加速反应,同时使氢气从电解液中分离速率加快,降低电解液的含气量,达到降压节能的目的。

②在电解液中加入溶液催化剂。在电解过程中加入合适的溶液催化剂,是提高制氢速率的有效方法,可以有效地降低电耗。目前使用最多的添加剂是Fe3+和Ce4+。

③催化电极的选择。提高电极催化析氢活性的方法有多种,包括将阳极和阴极改为活性髙的材料;对阳极和阴极材料的表面进行修饰。铂及铂族金属对析氢有显著的催化活性及稳定性,目前所用的析氢催化剂仍主要以金属铂为主。电解水制氢的电催化剂采用大量的贵金属,工业化成本高。近年来,人们主要致力于负载型催化剂的研究,充分利用沉积金属,尽可能地使金属薄层沉积并均匀分布,以达到提高活性表面积、机械强度、化学稳定性,从而改善催化性能。

钛具有较好的导电性、较高的机械强度和较小的密度,并且便于加工成形,小巧质轻。T作为基体时,电极的使用寿命较长,并且经长时间使用后,性能仍十分稳定。钛上镀铂电极由于比多晶铂具有更大的比表面积、电催化活性好而得到广泛的应用。2007年张磊[70]在钛基体表面用电化学方法沉积制备了PtT催化电极和Pt催化电极对电解煤水制氢过程进行了研究。循环伏安法自制的三种Pt-I电极电解煤浆制氢的催化性能都比自制的P冮电极高。电极中I含量的不同对催化性能影响较大,三种Pt「电极催化活性依次为:Pt-r/Ti(1:0.5)> Pt-Ir/Ti(1:1)>Pt-Ir /Ti(1:2)。总的来说,PT电极催化活性比P电极好,这可能是由于加入元素能大大提高Pt-lr/Ti电极催化活性。但Pt-lr/Ti电极中,含r量低的催化活性要好,这可能是由于随着在镀液中含量的进一步增加,在沉积过程中发生金属共沉积,电极表面更为致密,在电解反应过程中参与反应的电极活性面积也逐渐降低,催化活性有所下降.

Hesenov等发现Pt-lr电极相比于其他电极有更好的电解效果,但后者有更好的抗腐蚀性。因此,作者认为Pt-r电极是最优的一种电极。对贵金属载量及镀层成分组成的分析表明,在高载量或低载量条件下,r对于煤氧化生成CO2这一过程都没有作用。另外,Rh不适合应用于电极,无论是Rh的单独使用,还是Rh与P或P共同使用。

(2)煤种类、煤浆浓度与煤颗粒大小的影响

不同煤种的成分不同,因此电解效果也不同。 HesenOy[12]对比了 Cayirhan、 Tuncbilek、 Pittsburg三种不同煤的电解,证明了这点煤中的主要成分为C、H、O、N、S及其他杂质,其中含有的羧基、氮、硫等分子未端能够提供反应活性位点,进行煤的电氧化反应。如褐煤便有较多的分子未端基团,因而在电解过程中相比于其他煤种有较高的电流。从前面的介绍中知道,铁离子对煤浆的电解过程有着重要的影晌,而不同煤种中铁离子的存在形式有所差异,若铁离子以Fe2而不是Fe3形式进入溶液,便可直接在阳极氧化从而提高电流。

煤浆浓度的影响。在较小的浓度范围内,煤浆浓度的增加会提髙煤电解氧化速率,但当煤浆浓度增加到定程度后,对氧化速率的影响便不太明显。而煤浓度过大时,反而降低煤电解氧化速率。究其原因是由于太高的煤浆浓度限制了搅拌系统的搅拌效率,制约了电化学反应过程中的传质过程。但当加入一定含量的催化剂后,煤浆浓度的影晌相对催化剂对电流产生的影响较小。τOma等[3,74硏究发现煤颗粒大小决定着煤与电解液和电极表面的接触表面,影响着反应速率。减小煤颗粒度可增加反应速率,但粒度降低至超过一定限度对该电化学反应不再有重要影响。

(3)电解质膜材料

在阳极和阴极之间的膜主要起到两方面的作用:传导质子和阻隔气体。当前实验研究中,多采用美国杜邦公司生产的 Nafion膜。

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Nafion膜是一种全氟磺酸结构的聚合物质子交换膜,其厚度从25-70um,它具有良好的质子传导性且能有效阻隔其他离子的通过。溶液中的金属离子对质子传导的影响很大,但未见对此的研究报道。

(4)电解电位的影响

水煤浆电解的理论电压只有0.21V,但为了克服电化学极化,方程式(1-23)至少需要0.45的电压才能进行。最初的Coughlin和 Farooque煤电解实验中,在0.8~1.0V时才能观察到明显的氢气产生。Sehr等用活性炭GX203取代煤,在0.54便有明显的氢气产生。使用表面积更大的活性炭BP2000时,加入FeSO4与未加时情况相比,电解电压从1.12V降到了0.95~0.72V,而从能量的角度考虑,在0.72时产氢率和电效率达到了最佳结合。同样, Hesenov等研究发现,电压从10升高到20V(此时没有发生明显的水电解)时,氢气产量从35m(8h)上升到了47m,而加入Fe2+/Fe3+后,氢气产量则从143m(8h)升到了386mL,电流密度也从31mA/cm2上升到了83mA/cm2。电解中,Fe2可以降低反应过程30%的能量势垒。另外,还有、V2O5、KB、KFe(CN)。等作为添加剂被硏究。找出能够更多地降低能量势垒的添加剂应该是今后硏究的一个重点方向.

(5)温度的影响

温度的升高,能够有效地降低活化能[,提高反应速率。温度对Fe2/Fe3之间的氧化还原反应有着重要的影响。升高温度可以提高Fe2+向Fe3+的转化,这主要是加快了Fe2+的扩散速度,但这种影响仅限于100℃以下。在100°时Fe2+转化达到最大.。

Jin等硏究表眀,温度可以极大地影响煤的电解效率,如煤的转化率从40℃的0.02%提升到了108℃的3.21%,同时,电流密度也提高到了32mA/cm2。

(6)酸浓度的影响

刘欢等在煤电解氧化伏安特性的研究中指出,H2SO4相较于其他酸性、碱性等溶液作为电解液貝有最好的电解效果,最佳浓度为1mol。 Coughlin和 Farooque在对不同浓度的电解液对比研究后指出,当H2SO4浓度为37mO时,电解过程具有最佳的电解效果。

Hesen等也得出了类似的结果:适当提高H2SO4浓度可以增大电流密度和氢气产量,但过高的H2SO4浓度(>7mol)效果相反。他们认为H2SO4最优浓度为5mol,并做了解释。

(7)搅拌速率的影响

搅拌速率对电解影响较大,搅拌速率越大,电流也越大。由于搅拌速率过低时,煤不易分散形成均匀的煤浆液,这就阻碍了煤与电极的接触,从而降低了反应速率。较高的搅拌速率可促进电解过程中煤与电极表面接触概率和煤与电解液界面的扩散传质过程,从而加快反应速率。但是当搅拌速率太快,磁子工作不稳定,易与电极碰撞从而损坏电极。

此外,选用的煤种也有很大关系。硏究表明,高硫煤和高挥发分煤有较高的电化学活性。

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