電解水制氫制氧用鈦電極

 電解制氫氣氧氣用鈦陽極是我公司利用多年時間自主研發(fā)生產(chǎn)，現(xiàn)已投放市場，質(zhì)量穩(wěn)定，環(huán)保無二次污染，低過電位，節(jié)能效果好，可節(jié)約15——20%能源。有板、網(wǎng)、管形狀，也可根據(jù)用戶特殊要求定做生產(chǎn)異型件。 

1電解水制氫研究進展 水電解制氫是實現(xiàn)工業(yè)化廉價制備  H2的重要手段，可制得純度為99%～99.9%的產(chǎn)品。每年我國在水電解制氫上的電能消耗達到（1.5×107）kW·h以上。當電流從電極間通過時，在陰極上產(chǎn)生氫氣，在陽極上產(chǎn)生氧氣，水被電解掉[2]。水電解制氫設備中的核心部分是電解槽，電極材料又是電解槽的關鍵所在。電極性能的好壞在很大程度上決定著水電解的槽電壓高低及能耗大小，并直接影響成本。提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在  75%～85%，其工藝過程簡單，無污染，但電耗大，因此起應用收到一定的限制。 解水反應是在電解槽中進行的，電解槽內(nèi)充滿電解質(zhì)，用隔膜將電解槽分為陽極室和陰極室，各室內(nèi)分別置有電極。由于水的導電性很小，故用加入電解質(zhì)的水溶液（濃度約為 15%）。當在一定電壓下電流從電極間通過時，則在陰極上產(chǎn)生氫氣，在陽極上產(chǎn)生氧氣，從而達到水的電解。理論上來說，鉑系金屬是作為電解水電極的最理想金屬，但實際中為了降低設備和生產(chǎn)成本，常采用鍍鎳的鐵電極。進行電解水時，電極反應式如下[3]。酸性溶液中，陰極反應：4H++4e=2H2∏=0V 陽極反應：2H2O =4H++O2+4e  ∏=1.23V 堿性 溶液中，陰極反應 ：4H2O +4e=2H2+4OH ∏=-0.828V 陽極反應：4OH－=2H2O+O2+4e  ∏=0.401V 從上式可以看出，不論在酸性還是堿性溶液中，水電解的總反應都是如下。2H2O=2H2+O2水的理論分解電壓與 pH  值無關，因而酸性溶液或堿性溶液都可作為電解液。但從電解槽結(jié)構(gòu)及材料的選擇方面來看，使用酸性容易出各種故障。故現(xiàn)在工業(yè)上都采用堿性溶液。 （1） 傳堿性電解技統(tǒng)術(shù) 堿性水電解制氫是目前制備氫氣比較常用而且也是發(fā)展比較成熟的方法。該法對設備的要求不高，投資主要集中在設備；制得的氫純度高，但效率不是很高。其工藝過程也相對環(huán)保無污染，但是消耗大量電能，因此受到一定的限制。工業(yè)上電解水的壓力一般在1.65～2.2V。評價堿性水電解電極材料的優(yōu)良與否，電極材料的使用壽命和水電解能耗是關鍵因素。當電流密度不大時，主要影響因素是過電位；電流密度增大后，過電位和電阻電壓降成為主要能耗的因素。在實際應用中工業(yè)電極應具有以下幾點[3]：（1）高表面積；（2）高導電性；（3）良好的電催化活性；（4）長期的機械和化學穩(wěn)定性；（5）小氣泡析出；（6）高選擇性；（7）易得到和低費用；（8）安全性。水電解制氫往往要求采用較大的電流密度（4000 A/m2以上），因此第 2 和第 4 點顯得更加重要。因為高導電性可以降低歐姆極化所引起的能量損失，高穩(wěn)定性保證電極材料的長壽命。而1和3則是降低析氫、析氧過電位的要求，也是評價電極性能的重要指標。 （2） 固體高分子電解質(zhì) SPE 水電解技術(shù) 由于以液體為電解質(zhì)的電解槽，效率低，不便移動，經(jīng)常需要維修，因此人們積極尋求新型電解質(zhì)，這促使了固體聚合物電解質(zhì)（solid polymer electrolyte ， SPE ） 又 稱 為 質(zhì) 子 交 換 膜 （ proton exchange membrane，PEM）的開發(fā)和應用研究的深入。目前采用固態(tài) Nafion 全氟磺酸膜作為電解質(zhì)的電解槽。電極采用具有高催化性能的貴金屬或其氧化物，將它們制成具有大比表面的粉狀形態(tài)，利用Teflon 黏合并壓在 Nafion 膜的兩面，形成一種穩(wěn)定的膜與電極的結(jié)合體[4]。 （（（（3））））  高溫水蒸氣電解工藝 水電解制氫的另一種是高溫水蒸氣電解。這是從固體氧化物燃料電池派生出來的方法。電解室一般用 Y2O3穩(wěn)定的 ZrO2作為電解質(zhì)，溫度越高，電阻越小。但從材料的耐熱性來看，溫度上限以1000℃為宜。通常用鎳和陶瓷的混合燒結(jié)體作陰極，并用具有導電性的鈣鈦復合氧化物做陽極[5]。 2 生物制氫的發(fā)展 利用微生物制取氫氣這一課題已經(jīng)研究了幾十年。在 20 世紀 30 年代，第一次報道了細菌暗發(fā)酵制取氫氣。隨后在 1942 年 Gaffron 和 Rubin 報道了綠藻利用光能產(chǎn)生氫氣，1949 年 Gest 和 Kamen 發(fā)現(xiàn)了光營養(yǎng)產(chǎn)氫細菌。Spruit 在 1958 年證實了藻類可以通過直接光解過程產(chǎn)氫而不需要借助于二氧化碳的固定過程。Healy（1970 年）的研究表明光照強度過高時由于氧氣的產(chǎn)生 Chlamydomonas moewsuii 的產(chǎn)氫過程將受到抑制。20 世紀 70 年代能源危機期間，全世界對生物制氫進行了大量的研究。Thauer  于 1976年指出，由于暗發(fā)酵至多只能將  1mol  葡萄糖生成4mol 氫氣和 2mol 乙酸，故其很難應用于實際生產(chǎn)中。而光營養(yǎng)細菌可以將有機酸等底物完全轉(zhuǎn)化為氫氣，所以此后生物制氫的研究基本上都集中于光發(fā)酵。20世紀 80 年代初在世界范圍內(nèi)研究與發(fā)展計劃（R&D）對可再生能源的支持逐漸減少。到 90 年代早期，環(huán)境問題日益嚴重，又使人們將注意力集中到可替代能源上。在德國、日本、美國生物制氫 R&D 的支持下，藻類利用光能從水中制取氫氣這一領域得到了廣泛的研究。然而，這一過程中總的太陽能轉(zhuǎn)化效率仍然很低。另一方面，暗發(fā)酵和光營養(yǎng)細菌可以從低成本的底物或有機廢物中制取氫氣。由于既可以產(chǎn)生清潔能源又可以處理有機廢棄物，美國和日本政府支持開展了數(shù)個長期的研究計劃[6]。預計于 21  世紀中期可實現(xiàn)生物制氫技術(shù)的實際應用。自發(fā)現(xiàn)微生物產(chǎn)氫至今已有半個多世紀了，生物制氫卻一直未能應用于實踐。許多技術(shù)問題，如微生物的篩選、反應器的設計、操作條件的優(yōu)化等仍有待解決，該技術(shù)的成本問題也得到關注。從經(jīng)濟上講，生物制氫技術(shù)在近期還不能與傳統(tǒng)的化學制氫技術(shù)相匹敵。但是從環(huán)境保護的角度來看，生物制氫的前景將非常廣闊。其中生物制氫包括：光合成生物制氫系統(tǒng)（也稱直接生物光解制氫系統(tǒng)）；光分解生物制氫系統(tǒng)（也稱間接生物光解制氫系統(tǒng)）；光合異養(yǎng)菌水氣轉(zhuǎn)化反應制氫系統(tǒng)；光發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)；厭氧發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)（也稱暗發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)）；光合–發(fā)酵雜交生物制氫系統(tǒng)；體外氫化酶生物制氫系統(tǒng)等氫能是潔凈高熱值能源，利用自然界可再生的水資源制取氫無疑是人類未來的首選方法。經(jīng)過半個多世紀的研究，水電解制氫能和生物產(chǎn)氫技術(shù)雖然都有了很大的進展，但基本上仍處于開發(fā)階段，尚未實用化。各種制約因素如較低的太陽能轉(zhuǎn)換效率，水電解制氫能耗較大，受產(chǎn)物的抑制、操作條件等使現(xiàn)有的產(chǎn)氫系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率不夠高或者不夠經(jīng)濟等許多瓶頸，還有待進一步突破。以進一步降低生產(chǎn)成本和擴大生產(chǎn)效率，為將來運用到商業(yè)運作中做準備。 參考文獻 [1]   Bockris JO’M. The origin of ideas on  hydrogen economy and its solution to the decay of the environment [J]. Int. J. Hydrogen Energy，2002，27：731–740. [2]  王夢飛，李韌. 未來能源——氫及其制取工藝[J].西安工程學院學報，1998，19(增刊)：136-140.  [3]   劉業(yè)翔. 功能電極材料及其應用[M].  長沙：中南工業(yè)大學出版社……