可再生能源电解制工业氢的工艺流程

可再生能源电解制工业氢的工艺流程

王雨

淄博齐塑环保科技有限公司   山东省淄博市 255400

摘要：本文以某环保科技有限公司生产的工业氢为研究对象，对其工艺流程进行优化设计，通过XRD手段对材料性质进行表征分析，并通过制备碱性尿素电解液对材料进行了电化学测试，考察了该系列催化材料的尿素氧化反应（UOR）的电化学性能可行性，最终得出在100℃的Co3Fe1PTA表现出了最好的催化性能。而适当掺杂Fe和提高反应温度可以提高UOR活性，但掺杂量过大或过高温度其UOR活性则有下降的趋势。希望以上相关研究成果，可以为该环保科技有限公司今后可再生能源电解制工业氢工艺中带来一定的参考。

关键词：尿素氧化反应；CoFe；电催化

在某些地区由于治理措施不当，导致尿素成为了当地较为严重的污染源，极大的影响了当地居民的生活起居。但尿素并非只有污染环境的效果，而且尿素在实验室中还可以当作一种还原剂来使用。比如有学者利用一种更有利的小分子氧化反应来取代OER过程，实现了降低产氢能耗的有效策略。此外，尿素因其能量密度高，运输和储存方便而被用作有效的能量载体，让尿素氧化反应（UOR）被认为是一种很有前途的能量转换途径。而且尿素氧化的标准电极电势远小于OER的标准电极电势，因此使用尿素的氧化反应代替电解水制氢系统阳极的缓慢氧化反应，是从电解系统制氢的更有效方法。

关于尿素电氧化反应，在碱性介质中的反应方程式如下：

阳极：

阴极：

总反应：

基于以上反应原理，本文首先对铁掺杂的钴PTA做阳极氧化催化剂材料进行研究，制备出不同掺杂比例钴铁PTA材料的流程，再通过XRD、SEM等手段对材料的性质进行了表征，并通过制备碱性尿素电解液对材料进行了电化学测试，由此考察该系列催化材料的尿素氧化反应（UOR）的电化学性能。

1 实验材料与方法

1.1 实验试剂

表1 实验试剂

1.2 实验仪器

表2 实验仪器

1.3 钴铁PTA样品的制备

用量筒量取某环保科技有限公司生产的一定量N,N二甲基甲酰胺加入烧杯，然后用移液枪分别取数毫升的乙醇和水加入烧杯，并在烧杯中加入磁力搅拌子，而后将其置于磁力搅拌器上面进行搅拌溶解。再把烧杯放入超声清洗器中进行超声。待样品完全溶解后，采用移液枪加入三乙胺，搅拌。搅拌完毕后将三个烧杯中的样品转移至反应釜中，把反应釜放入分别放置在不同温度的鼓风干燥箱中，9小时后取出，自然条件下放置至室温。之后，将样品取出放于离心管中，对样品进行离心。离心完毕后，将上清液倒出，对剩余物进行清洗，震荡，再放入超声清洗器中超声，直至溶解。再重复离心过程几次后，把样品放入干燥箱进行干燥，得到最终样品。

1.4 X射线衍射法（XRD）

本实验采用DX-27mini X射线衍射仪（XRD）对铁钴PTA样品进行扫描，设置装置X射线输出光源为3kW，选择Cu分析靶，广角扫描范围设置为5-70°，小角扫描范围设置为0.5-5°，再采用origin对测试数据进行分析。

2 结果

为60℃反应温度下不同金属比例条件制备的五个样品的XRD谱图，其中Co和Co3Fe1衍射主峰强度大致相当，随着Fe含量的进一步增大，2ϑ为8.8时峰高有所降低，说明Co3Fe1的结晶度较好，随着Fe含量的增加，样品的结晶度有所降低。

为100℃反应温度下不同金属比例条件制备的五个样品的XRD谱图，其中Co3Fe1衍射主峰强度最大，随着Fe含量的进一步增大，2ϑ为8.8时峰高有所降低，说明Co3Fe1的结晶度最好，随着Fe含量的增加，样品的结晶度有所降低。

为140℃反应温度下不同金属比例条件制备的五个样品的XRD谱图，当Co1Fe3的2ϑ为5.28，其最大峰值为45；当Fe的2ϑ为33.04，其最大峰值为57 ，Co1Fe3和Fe的衍射峰出现严重的弥散现象，且主峰大幅偏离其他材料的范围，说明样品为无定形结构。其中Co3Fe1衍射主峰强度最大，随着Fe含量的进一步增大，2ϑ为8.8时峰高有所降低，说明Co3Fe1的结晶度最好，随着Fe含量的增加，样品的结晶度有所降低。

综上，本实验中在不同的温度下，Co3Fe1材料的结晶度相对更好。

3 结论

本论文主要研究了铁掺杂的钴PTA电催化氧化尿素的性能，通过调节所掺入的金属Fe的比例和选取几个不同的反应温度进行测试，从而选出性能最好的电催化剂。实验中主要通过SEM材料表征手段对合成的材料的形貌、晶型等进行分析表征，主要结论如下：

1、通过制备不同比例的钴铁PTA材料后，对其进行SEM物理表征结果表明，对比纯Co PTA材料，引入适量的Fe会使越来越多纳米颗粒掺杂在纳米片表面，有助于材料暴露的更多的活性位点。但引入Fe的比例过高会导致其形貌从纳米片变为颗粒状。Co3Fe1在实验中的任一反应温度下都有着相对较高的结晶度。

2、在同一反应温度下，适当掺杂Fe可以提高UOR活性，但掺杂量过大样品的电化学性能则有下降的趋势。同一掺杂比例的样品，在适当提高温度时可以提高其UOR活性，但温度过高其电化学性能则有下降的趋势。

综上所述，尿素氧化所需电势明显低于水氧化需要的电势，说明UOR是一种有前景的代替OER的反应，为降低电解水制氢所需电势提供了可能。不仅提供了一种非贵金属催化剂用于尿素氧化反应，而且还为其他有机小分子的降解提供了新的思路，并且在加快析氢反应，优化工业氢制备工艺流程的同时，可以缓解富含尿素的废水污染，故而值得在今后加以应用。

参考文献

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