一种阳极耦合碘氧化的电解制氢装置

本发明属于电化学制氢领域，具体涉及一种阳极耦合碘氧化的高效电解制氢装置。

背景技术：

1、氢能具有能量密度高、燃烧性能好、产物零排放等优点，在未来能源体系以及实现“双碳”战略目标均具有重要作用。在众多的制氢技术中，电解水制氢以其高纯性、低碳排放和环境友好性得到了科研人员的广泛青睐。然而，阳极析氧反应(oer)是一种四电子的反应过程，具有缓慢的动力学，致使电解水制氢的过电势大、槽压高、能耗高，从而极大地增加了电解水制氢的成本。

2、近年来，很多替代阳极oer的反应得到了广泛关注，如有机小分子氧化和肼氧化等等，但该类替代品的成本、安全性以及提纯等问题阻碍了其在电解水制氢中的发展。因此，选取合适的氧化反应代替oer以减低槽压、节约能耗是当前电解水制氢技术中的关键。

3、海藻灰中含有大量的碘化钠和碘化钾，该类碘盐具有一定的还原性，使用氧化剂氧化碘离子(i-)可以提取碘。考虑到i-的还原性，其对应的碘氧化反应(ior)的电极电势明显低于oer，且i-的氧化为两电子过程，具有更快速的反应动力学，如果在电解制氢装置的阳极耦合ior，实现阴极产氢(her)，不仅可以有效提取碘，还可以降低电解水制氢槽压，提升制氢效率，节约能耗，具有十分广阔的应用前景。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明旨在提供一种阳极耦合碘氧化的电解制氢装置。

2、具体来说，本发明提供了一种阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，包括：负载有阳极催化剂的阳极电极片、阳极电解液、质子交换膜、阴极电解液、负载有阴极催化剂的阴极电极片以及外加直流电源；

3、其中，所述阳极电解液和阴极电解液之间由质子交换膜隔开；所述阳极电解液为碘盐电解质的酸性溶液，阳极电解液中碘离子的浓度为0.2～0.8m。

4、较佳地，所述阳极电极片与所述阴极电极片的材料各自独立地选择玻碳电极或柔性自支撑体；优选地，所述柔性自支撑体为碳布、碳纸或者碳毡。

5、较佳地，所述阳极催化剂与所述阴极催化剂均为碘氧化反应和氢还原反应双功能催化剂；优选地，所述碘氧化反应和氢还原反应双功能催化剂为低铂催化剂或非铂双功能催化剂。

6、较佳地，所述碘盐为碘化钾、碘化钠或碘化锌；优选地，阳极电解液的ph为0～1。

7、较佳地，所述阴极电解液为ph 0～1的酸性电解质溶液；优选地，所述酸性电解质为h2so4溶液、hcl溶液或hclo4溶液；更优选地，所述阴极电解液可以为0.5mol l-1h2so4溶液、l mol l-1hcl溶液或lmol l-1hclo4溶液。

8、较佳地，所述阴极电解液和阳极电解液均处于惰性气体保护的氛围下；所述惰性气体为氩气或者氮气。

9、较佳地，所述质子交换膜的材料包括nafion nr211、nafion nr212和nafion 117；所述质子交换膜的厚度为25～200微米。

10、有益效果

11、1)本申请所提供的耦合碘氧化高效电解制氢技术，是一种新型的利用含碘酸性溶液产氢技术，在实现产氢的同时实现固碘；

12、2)本申请所提供的耦合碘氧化高效电解制氢的电解电压明显低于电解水装置，产氢的法拉第效率接近百分之百，且具有优异的稳定性能；

13、3)本申请所提供的耦合碘氧化高效电解制氢技术，成本较低，操作简便易行，性能优异，易于实现大规模生产。

技术特征：

1.一种阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，包括：负载有阳极催化剂的阳极电极片、阳极电解液、质子交换膜、阴极电解液、负载有阴极催化剂的阴极电极片以及外加直流电源；

2.根据权利要求1所述的阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，所述阳极电极片与所述阴极电极片的材料各自独立地选择玻碳电极或柔性自支撑体；优选地，所述柔性自支撑体为碳布、碳纸或者碳毡。

3.根据权利要求1或2所述的阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，所述阳极催化剂与所述阴极催化剂均为碘氧化反应和氢还原反应双功能催化剂；优选地，所述碘氧化反应和氢还原反应双功能催化剂为低铂催化剂或非铂双功能催化剂。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，所述碘盐为碘化钾、碘化钠或碘化锌；优选地，阳极电解液的ph为0～1。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，所述阴极电解液为ph0～1的酸性电解质溶液；优选地，所述酸性电解质为h2so4溶液、hcl溶液或hclo4溶液；更优选地，所述阴极电解液可以为0.5moll-1h2so4溶液、lmoll-1hcl溶液或lmoll-1hclo4溶液。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，所述阴极电解液和阳极电解液均处于惰性气体保护的氛围下；所述惰性气体为氩气或者氮气。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的阳极耦合碘氧化的电解制氢装置，其特征在于，所述质子交换膜的材料包括nafionnr211、nafionnr212和nafion117；所述质子交换膜的厚度为25～200微米。

技术总结本发明涉及一种阳极耦合碘氧化的电解制氢装置。所述阳极耦合碘氧化的电解制氢装置包括：负载有阳极催化剂的阳极电极片、阳极电解液、质子交换膜、阴极电解液、负载有阴极催化剂的阴极电极片以及外加直流电源；其中，所述阳极电解液和阴极电解液之间由质子交换膜隔开；所述阳极电解液为碘盐电解质的酸性溶液，阳极电解液中碘离子的浓度为0.2～0.8M。技术研发人员：崔香枝,陈昶,施剑林,朱立博受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/11