[发明专利]一种MOF复合电极催化水分裂制氢储氢方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水分裂制氢的方法，还涉及一种水分裂制氢后进行储氢的方法；进一步地说，是一种利用MOF复合电极催化水分裂同时制氢储氢方法的技术方案。                                                                                                                                                                                            

背景技术

作为一种高效、清洁的可再生能源，氢能已普遍被人们认为是一种理想的无污染绿色能源。氢能的有效开发和利用需要解决的3个关键问题是氢的制取、存储和应用。产氢技术作为未来能源开发的新技术研究备受人们瞩目，具有广阔的市场前景。目前工业上获取氢气的方法主要是热解石油、天然气等。这些方法都需要消耗大量能量。水资源是地球上最为丰富的含氢物质，其氢氧键断裂分解后只生成氢气和氧气，是生产高纯氢气的理想原料。水分解制氢以其原料丰富，氢制取和利用的可循环性，成为科学界研究的热点。目前，传统的电催化水分解的催化剂大多是贵金属系列，贵金属铂则是产生氢气最好的催化剂， 然而由于Pt催化剂价格昂贵且催化效率低等缺点，限制了电解水制氢技术的工业化应用。Lee等将金属铂负载于石墨烯及碳纳米管上，Bong等采用H₂还原法制备Pt－Ru /graphene催化剂，发现与已有的Pt－Ru /XC-72R催化剂相比电化学性能较优，但是金属铂在石墨烯表面容易发生团聚现象；Chen等合成MoS₂和WS₂用来催化水分裂产氢反应。以上这些方法均不同程度地存在着合成工艺复杂、成本高、能量消耗高、设备要求苛刻、反应时间长，且过程难以控制等缺点。

氢的高效、安全储存和运输也是氢能源利用的主要瓶颈之一。现存储氢方法大致分为5种，即液态储氢、高压储氢、有机化合物储氢、金属化合物储氢和吸附储氢，存在明显的缺陷：需要有一个庞大的氢气基础设施，成本高、经济性差等问题，离实现商业化应用还有很大的距离。而且氢气大规模制备、输送及加注等配套基础，建设成本大、周期长。现有制氢工艺与储氢技术多为高排放、低能效的过程，原子经济性差，不具有可持续性，并且随着能源领域对氢气需求的加剧，来源的可持续性与储运的高效、灵活性等问题逐日显现，成为阻碍氢能体系构筑与完善的关键因素。 

金属有机骨架材料（Metal-Organic Framework Materials，）是高新科技领域中的重要功能材料之一，以其高比表面积、多孔性和结构的多样在气体分离、储氢、催化等领域有广泛的应用。MOF 多孔材料是一种典型的储氢容量很高的储氢材料，由于其内部不饱和金属位点的存在，使其在催化方面也有很广泛的应用。

发明内容

本发明的问题在于如何将MOF材料自身的多孔性和催化能力特性应用于电催化水分裂制氢体系中，并将生成的氢在线储存于MOF孔洞中，同时提供一种MOF复合电极催化水分裂制氢储氢方法。

本发明所要解决的具体技术问题是通过以下技术方案实现的。

一种MOF复合电极催化水分裂制氢储氢方法，其所述方法是利用MOF不饱和金属位点和多孔性结构电催化水分裂产氢，并将产生的氢在线储存于MOF多孔材料中，实现制氢储氢一体化，具体工艺步骤如下： 

Ⅰ、MOF复合电极的制备

按体积比为HNO₃∶H₂O=1∶3，将1cm× 8cm的镍网依次在丙酮、酸洗液、蒸馏水中分别超声处理20min，取MOF多孔材料与导电碳材料按质量比为1:10~5:1在容器中混合，加入10ml无水乙醇，超声分散30min，后在加热并不断搅拌下加入60%的聚四氟乙烯分散液，使酒精蒸干直到混合物成膏状物，然后将制好的MOF活性混合物涂在处理好的镍网上，装入模具压成1mm厚的薄片，在200^oC焙烧4h，冷却取出备用；

Ⅱ、制氢储氢过程

    取0.1mol/L~1mol/L导电水溶液作为电解液置于密闭电解槽中，通N₂气5~10min，除去电解液中的空气；以MOF复合电极作为阴极，钛基氧化物电极作为阳极进行电解产氢，同时将产生的氢在线储存于MOF复合电极中。

进一步地，附加技术方案如下。

所述MOF的有机配体是苯二甲酸和苯三甲酸中的一种或两种混合。