[发明专利]一种利用活泼金属粉末水解制氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及氢气制备领域。具体涉及一种使用金属粉末与水反应制备氢气的方法。 

背景技术

氢气是最为理想的燃料，其热值高，燃烧产物清洁无污染。针对目前的燃料电池技术，氢气是的最佳燃料，氢气的氧化反应和产物比较简单，同样条件下可以获得最高的电池转化效率和功率密度，所需的贵金属催化剂用量小，氧化产物对燃料电池组件几乎无损害。然而氢气不便于运输和储存，成为其在燃料电池应用中的技术瓶颈之一。因此可靠的氢气供应方式是燃料电池的重要配套技术。 

活泼金属，如碱金属、碱土金属、铝等可以与水反应放出氢气，这种方法制氢量相当可观，按照化学计量比，Mg和Al的可以制得的氢气质量相当于金属质量的8.3%和11.1%，因此该反应可作为一种简便快速的氢气制备方法。金属粉末体积小，便于运输和携带，另一种反应物水简单易得，因此这种制氢方法特别适合作为便携式燃料电池的氢源，如在行军、户外旅行中可携带一定量的金属粉末，只要有水源，即可为便携式燃料电池供氢。比较适合的金属是镁和铝，这两种金属价格便宜，与水反应放氢量大，但面临的最大问题是与水的反应不完全，造成产氢量和产氢速率低。其原因在于反应生成不溶的氢氧化物（Mg(OH)₂和Al(OH)₃）附着于金属颗粒的表面，阻碍了金属与水的进一步反应。 

解决生成氢氧化物覆盖的方法之一是提高溶液的酸度，由于Mg(OH)₂和Al(OH)₃均易溶于酸，因此Mg、Al与酸反应放出氢气均十分剧烈且完全。然而提高溶液酸度会对容器造成腐蚀，此外酸液不易存储和携带，因此Mg、Al与酸的制氢反应并不适合作为便携式的氢源。另一方案是对金属颗粒进行改性，例如通过降 低颗粒尺寸，通过球磨引入缺陷和增加活性位点等，但研究证明这种手段对提高制氢速率和完全性改进不大。 

发明内容

本发明提供了一种简单有效的提高活泼金属与水反应速率，提高产氢速率和产氢量的方案。本发明通过在反应体系中引入与金属具有相同阳离子的无机盐，阻止反应生成的氢氧化物附着于金属颗粒的表面，而是在溶液中均匀分散，有效的解决了不溶氢氧化物对金属与水反应的阻隔问题，显著提高了放氢速率，并可使金属粉末与水完全反应。 

本发明涉及原料简单易得，制氢操作步骤简单，与传统的活泼金属粉末与水的反应基本相同，具体实施步骤如下： 

(1)将金属盐溶于水配成0.05-2mol/L的盐溶液； 

(2)室温下将活泼金属粉末与步骤(1)中得到的盐溶液混合，即可产生氢气。 

上述方法步骤(1)中金属盐的特点是：1、可溶于水的强酸盐，包括氯化物、硫酸盐、硝酸盐等，2、必须包含和参与反应的金属相同的阳离子，3、除与参与反应的金属相同的阳离子外，还可以包含其他种类的阳离子，4、含或不含结晶水均可。 

上述方法步骤(2)中的活泼金属粉末在使用前应保持在隔绝水氧的环境中，防止表面产生过厚的氧化层。 

上述方法步骤(2)中的活泼金属粉末建议使用100微米或更小的颗粒以保证氢气生成的速率。更大颗粒也可以产生氢气，但是速率会变慢。 

上述方法步骤(2)中的混合方式可以是将溶液加入到活泼金属粉末中，也可以是将活泼金属粉末加入到溶液中，可以搅拌使溶液与活泼金属粉末混合均匀。产生氢气的速率通过控制溶液或活泼金属粉末的加入速率来控制。 

本发明的优点和积极效果： 

本发明可大幅度提高金属粉末与水反应制氢的速率和产量，所需的添加剂为固体金属盐，便于携带，价格低廉，对容器不会造成明显腐蚀，是一种简便的便携式制氢方法。 

本发明提供了一种简单有效的便携式供氢方式，将对便携式燃料电池的应用起到积极的效果。 

附图说明

图1.平均粒度1微米的Mg超细粉末与纯水和不同种类的盐溶液反应产生氢气量随时间的变化。 

图2.平均粒度1微米的Mg超细粉末与不同溶液反应前后的X射线衍射图谱；其中(a)镁纳米颗粒与1mol/L KCl溶液反应24h后的固体产物；(b)镁纳米颗粒与0.5mol/L CuCl₂溶液反应24h后的固体产物；(c)镁纳米颗粒与0.5mol/L ZnCl₂溶液反应24h后的固体产物；(d)镁纳米颗粒与0.5mol/L MgCl₂溶液反应30min后的固体产物。 

图3(a).平均粒度1微米的Mg超细粉末的扫描电子显微镜照片；