[发明专利]一种三电极体系双电解槽两步法电解水制氢的装置及方法

权利要求书

1. 一种三电极体系双电解槽两步法电解水制氢的装置, 其特征在于包括：

两个独立的电解槽：电解槽-1和电解槽-2；

三个电极：对电解水生成氢气具有催化作用的析氢催化电极、对电解水生成氧气具有催化作用的析氧催化电极和氢氧化镍(Ni(OH)₂)电极；

碱性电解液；

其中，电解槽-1用于产氢气，电解槽-2用于产氧气；

在电解槽-1中的产氢气时，阴极连接析氢催化电极，阳极连接氢氧化镍电极；在电解槽-2中的产氧气时，阴极连接氢氧化镍电极，阳极连接析氧催化电极。

2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述析氢催化电极的电极材料为：

基于金属铂以及其与碳的复合物；或

基于Ni、Co或Fe过渡金属的单质或化合物；或

基于Cu的化合物；或

基于W的化合物；或

基于Mo的化合物；或

C₃N₄化合物。

3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述析氧催化电极的电极材料为：

基于Ru或Ir贵金属的化合物；或

基于Ni、Co、Fe或Mn过渡金属的单质或化合物；或

N、S、P掺杂的碳；或

生物电化学催化剂。

4. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述基于Ni、Co或Fe过渡金属的单质或化合物为Ni、Ni-Mo合金、 Ni-Cr-Fe合金、CoO、Co₂O₃、CoSe₂或FeP；

所述基于W的化合物为WC、W₂C或WS₂；

所述基于Mo的化合物为MoS₂、MoB或Mo₂S。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述基于Ru或Ir贵金属的化合物为IrO_x或RuO₂；

所述基于Ni、Co、Fe、Mn过渡金属的单质或化合物为NiFeO_x、NiCoO_x、CoFeO_x、CoO_x、NiCuO_x、NiO_x、SrNb_0.1Co_0.7Fe_0.2O_3-x、MnO_x或CoMn₂O₄；

所述生物电化学催化剂为漆酶。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述氢氧化镍电极为由Ni(OH)₂活性物质和其他添加成分组成，所述添加成分为镍粉、Co(OH)₂、碳粉及粘结剂中的一种或者几种。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述粘结剂为聚四氟乙烯。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述Ni(OH)₂活性物质和添加成分通过混合成膜或者成浆料的方式，压制或者涂覆在金属集流体上构成Ni(OH)₂电极；所述金属集流体包括：镍网、泡沫镍、不锈钢网或钛网。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述碱性电解液为氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液。

10.基于权利要求1~9之一所述装置的两步法电解水制氢的方法，其特征在于具体步骤如下:

（一）在电解槽-1中的产氢气：

在电解槽-1中，水分子在作为阴极的析氢催化电极表面被电化学还原成氢气，即H₂O +e^- → 1/2H₂ + OH^-；同时作为阳极的Ni(OH)₂电极被电化学氧化为NiOOH电极，即Ni(OH)₂ +OH^- － e^-→ NiOOH + H₂O，在此过程中电子由Ni(OH)₂电极通过外电路流向析氢催化电极；产氢结束后，电解槽-1中形成的NiOOH 电极被转移至电解槽-2，再用于电解水产氧；

（二）在电解槽-2中的产氧气：

此时，作为阴极的NiOOH电极被电化学还原成为Ni(OH)₂电极，即NiOOH + H₂O + e^- →Ni(OH)₂ + OH^-；同时氢氧根离子在作为阳极的析氧催化电极表面被电化学氧化成为氧气，即2OH^- － 2e^-→ 1/2O₂ + H₂O；在此过程中电子由析氧催化电极通过外电路流向NiOOH电极；产氧结束后，电解槽-2中形成的NiOOH 电极被转移至电解槽-1，并再用于电解水产氢；

所述步骤（一）和步骤（二）交替循环。