专利名称：电解水制取氢气和过氧化氢的方法
技术领域：
本发明属于电解制氢技术领域，特别涉及电解水制取氢气和过氧化氢的方法。
背景技术：
氢气是一种二次能源，也是一种化工原料，大量用于合成氨、化工、造纸、环境保护、电子、食品、医药、纺织、矿业、农业废料加工等行业。但是地球上绝大多数的氢是以化合物的形式存在的，因此如何将氢从含氢化合物中高效的提取出来成为制氢领域的热点问题。目前常用的制氢方法有水电解法、烃类的水蒸气重整制氢方法及重油(或渣油)部分氧化重整制氢方法。烃类水蒸气重整及重油氧化制氢由于碳氢化合物原料储量有限已经接近枯竭，因此在制氢方面具有一定局限性。同时，烃类水蒸气重整及重油氧化制得的氢气纯度不够高，总是含有少量的一氧化碳，不能满足对氢气纯度要求高和对一氧化碳敏感的化学工业的需求。水在地球上的储量非常丰富，可以大量的用来电解制取氢气。水电解法制取的氢气纯度比烃类水蒸气重整及重油氧化制得的氢气纯度更高，但是水电解方法制氢效率低下，能量消耗大，制取的氢气成本比烃类水蒸气重整及重油氧化制取的氢气更高。因此如何提高电解水的电解效率，降低能量消耗就成为规模化制氢的关键问题。
过氧化氢俗称双氧水，具有几乎无污染的特性，被称为“最清洁”的化工产品。可作为氧化剂、漂白剂、消毒剂、脱氧剂、聚合物引发剂和交联剂，过氧化氢广泛应用于化工、造纸、环境保护、电子、食品、医药、纺织、矿业、农业废料加工等行业。
现有的电解水制取氢气和氧气的方法，其理论电解电压为1.23V，但是由于在电解池内存在诸如电阻、气泡、超电势以及浓差极化等因素引起的损失，电解池的操作电压在1.7V～2.5V之间，每生产标准状态下1m3的氢气，需要消耗4～5kWh的电能，工业化电解制氢消耗电量大、成本较高，因此其大规模应用受到一定限制。其电解能耗高的主要原因是阳极氢气析出需要的能量高。
发明内容
本发明的目的是针对现有电解制氢方法的不足之处，提供一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法，巧妙地回避了电解水时阳极析出氧气，而代之以在电解液中加入表面活性剂，表面活性剂能够促使阳极生成过氧化氢，因此可以在较低的电解电压下制取氢气和过氧化氢，与传统的电解水制取氢气和氧气方法相比，该方法具有电解电压低、同时能够获得比氧气具有更高经济附加值的过氧化氢等特点。
本发明的目的是这样实现的一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法，利用市场上的商品化原料，在含有表面活性剂的酸性水溶液中，以碳电极为阳极和阴极，直流电条件下，进行电解制取氢气和过氧化氢的具体方法步骤如下(1)制备电解液按酸性溶液∶表面活性剂的摩尔比为1∶0.01～0.2的比例配置，先将酸性溶液用蒸馏水稀释为0.1～4mol/L的酸性水溶液，再在酸性水溶液中加入表面活性剂，搅拌均匀，就制备出表面活性剂浓度为5～100mmol/L的酸性水电解液。
其中酸性溶液为浓硫酸或高氯酸。表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基吡啶溴化铵或十二烷基二甲基甲苯溴化铵。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有表面活性剂的酸性水电解液加入电解槽中，并放入碳电极阳极和阴极，然后在电极上施加0.1～10mA.cm-2直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
其中碳电极为碳纸电极或碳布电极。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果1、本发明在电解水溶液中添加了表面活性剂，表面活性剂的阳离子基团能促使阳极生成过氧化氢，同时能够获得比氧气具有更高经济附加值的过氧化氢。
2、本发明电解水过程中生成的是氢气和过氧化氢，与电解水直接生成氢气和氧气相比，电解电压降低了。从实施例1～4可以看出加入表面活性剂后电解电压降低了0.3～0.9V不等。
3、本发明方法工艺简单、生产周期短，又由于采用市场上的商品化原料，生产成本低，便于推广应用。
采用本发明制备出的氢气和过氧化氢，可广泛应用于化工、造纸、环境保护、电子、食品、医药、纺织、矿业、农业废料加工等行业。
四
图1为本实施例1～4的电压-时间曲线图。
图中曲线1是以碳纸为阳极和阴极，未加表面活性剂的硫酸水电解液，在1mA.cm-2直流电条件下的电压-时间曲线。
曲线2是以碳纸为阳极和阴极，十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂浓度为5mmol/L的硫酸水电解液，在1mA.cm-2直流电条件下的电压-时间曲线。
曲线3是以碳纸为阳极和阴极，十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂浓度为30mmol/L的硫酸水电解液，在1mA.cm-2直流电条件下的电压-时间曲线。
曲线4是以碳布为阳极和阴极，十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为100mmol/L的高氯酸水电解液，在1mA.cm-2直流电条件下的电压-时间曲线。
曲线5是以碳纸为阳极和阴极，十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液，在1mA.cm-2直流电条件下的电压-时间曲线。
五具体实施例方式下面结合具体实施方式
，进一步说明本发明。
实施例1、一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.01的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为5mmol/L的硫酸水电解液。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢，还测量并记录其电压随时间的变化情况，得出电压-时间曲线2。
实施例2、一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.06的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂浓度为30mmol/L的硫酸水电解液。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢，还测量并记录其电压随时间的变化情况，得出电压-时间曲线3。
实施例3、一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按高氯酸∶十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.2的比例配置，先将高氯酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂浓度为100mmol/L的高氯酸水电解液。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂的高氯酸水电解液加入电解槽中，并放入碳布阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢，还测量并记录其电压随时间的变化情况，得出电压-时间曲线4。
实施例4、一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.12的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢，还测量并记录其电压随时间的变化情况，得出电压-时间曲线5。
实施例5、一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.12的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加0.1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
实施例6、一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.12的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液。
(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加10mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
对比实验按传统电解水制取氢气和氧气的方法的具体步骤如下
将0.5mol/L的硫酸水溶液中加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的氧气，测量并记录其电压随时间的变化情况，得出电压-时间曲线1。
本发明的试验结果对实施例1～4以碳纸或碳布为阳极和阴极，在不同浓度表面活性剂的酸性水电解液中，在1mA.cm-2直流电条件下，电解水制取氢气和过氧化氢，测量并记录其电压随时间的变化情况，得出电压-时间曲线。从图1中的曲线计算出实施例1～4与对比实验的电解电压差值，如下表所示
从表中可以看出加入表面活性剂后，电解水制取氢气的电解电压降低了0.3～0.9V不等。
权利要求
1.一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于具体的方法步骤如下(1)制备电解液按酸性溶液∶表面活性剂的摩尔比为1∶0.01～0.2的比例配置，先将酸性溶液用蒸馏水稀释为0.1～4mol/L的酸性水溶液，再在酸性水溶液中加入表面活性剂，搅拌均匀，就制备出表面活性剂浓度为5～100mmol/L的酸性水电解液；(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有表面活性剂的酸性水电解液加入电解槽中，并放入碳电极阳极和阴极，然后在电极上施加0.1～10mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
2.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于所述的酸性溶液为浓硫酸或高氯酸；所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基吡啶溴化铵或十二烷基二甲基甲苯溴化铵；所述的碳电极为碳纸电极或碳布电极。
3.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.01的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为5mmol/L的硫酸水电解液；(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
4.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.06的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂浓度为30mmol/L的硫酸水电解液；(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十二烷基吡啶溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
5.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按高氯酸∶十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.2的比例配置，先将高氯酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂浓度为100mmol/L的高氯酸水电解液；(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十二烷基二甲基甲苯溴化铵表面活性剂的高氯酸水电解液加入电解槽中，并放入碳布阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
6.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.12的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液；(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
7.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.12的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加0.1mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
8.按照权利要求1所述的电解水制取氢气和过氧化氢的方法，其特征在于一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法的具体步骤如下(1)制备电解液按浓硫酸∶十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的摩尔比为1∶0.12的比例配置，先将浓硫酸用蒸馏水稀释为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铵表面活性剂，搅拌均匀，就制备出十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂浓度为60mmol/L的硫酸水电解液；(2)进行电解第(1)步完成后，将第(1)步制备出的含有十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的硫酸水电解液加入电解槽中，并放入碳纸阳极和阴极，然后在电极上施加10mA.cm-2的直流电进行电解，并分别收集阴极析出的氢气和阳极生成的过氧化氢。
全文摘要
一种电解水制取氢气和过氧化氢的方法，属于电解制氢技术领域。本发明直接利用市场上的商品化原材料，在含有表面活性剂的酸性水溶液中，以碳电极为阳极和阴极，在电极两端加上直流电进行电解制取氢气和过氧化氢。本发明具有工艺简单、生产周期短、电解电压低、电解效率高和能量消耗低等特点。采用本发明制备出的氢气和过氧化氢，可广泛应用于化工、造纸、环境保护、电子、食品、医药、纺织、矿业、农业废料加工等行业。
文档编号C25B1/28GK101054677SQ20071007819
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月9日 优先权日2007年2月9日
发明者魏子栋, 陈四国, 孙才新, 季孟波 申请人:重庆大学