[发明专利]一种利用太阳能低成本生产过氧化氢和氢气的电解方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备过氧化氢和氢气的方法，具体地说是一种利用光电催化分解水反应原理制备过氧化氢和氢气的方法。

背景技术

过氧化氢又名双氧水，是一种重要的化工原料，具有无污染特性，广泛应用于印染、造纸、环保、冶金、食品、化学合成、电子、军工、航天等行业。过氧化氢的工业生产方法有电解法、蒽醌法、异丙醇法、阴极阳极还原法、氢氧直接化合法等。其中，电解法是20世纪90年代之前生产过氧化氢的主要方法，采用金属铂为电解槽的阳极，铅或石墨为阴极，硫酸、硫酸钾或硫酸铵为电解液，总化学反应方程为2H₂O = H₂O₂ + H₂。在阳极发生氧化反应，将硫酸根氧化为过硫酸根，然后过硫酸根在水解器中减压水解生成过氧化氢；在阴极发生还原反应生成氢气。该电解法优点是电流效率高、工艺流程短、产品质量高，但耗电量大、铂为贵重金属，因此生产成本高，不适合大规模工业化生产。目前，国内外生产过氧化氢的主流方法是蒽醌法，在镍基或钯基催化剂作用下，将烷基蒽醌加氢生成氢蒽醌，然后将氢蒽醌用O₂氧化，生成烷基蒽醌和过氧化氢，其总化学反应方程为H₂ + O₂ = H₂O₂。蒽醌法技术成熟，自动化控制程度高，原料成本和能耗较低，适合大规模生产，其缺点是生产工艺复杂，产物纯度较低。

氢气是一种高效的洁净能源载体和重要的化工原料，在燃料电池、航空航天、化学合成、医药、冶金、电子、玻璃、机械制造等领域广泛使用。按照国家标准，氢气分为工业氢气和纯氢两大类。常见的工业制氢途径有化石燃料(如石油、天然气、煤)或通用燃料（如醇类、烃类）转化、电解水等。其中，电解水制氢是最传统的氢气生产方法，采用铂、氧化铱或镍钴铁复合材料等作为阳极，铂、铅或镍基材料等作为阴极，电解液或酸性或碱性，总化学反应方程为2H₂O = O₂ + 2H₂。在阳极发生氧化反应生成氧气；在阴极发生还原反应生成氢气。电解水制氢的效率较高、工艺成熟、设备简单、纯度高，但耗电量大，生产成本高。

总体来说，电解法生产过氧化氢和氢气的最大劣势就是耗电和电极材料成本高。如果能够有效降低成本，电解法在效率、工艺流程、纯度上的优势，会碾压其它的生产方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用太阳能低成本生产过氧化氢和氢气的电解方法

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种利用太阳能低成本生产过氧化氢和氢气的电解方法，采用晶向为{111}、{110}、{100}或{010}的纯相或掺杂钒酸铋单晶片作为电解槽的阳极，将碱性电解液加入电解槽后，在保持电解槽内的电解液处于暗态条件的同时，使阳极处于光照下，在电解槽的阳极和阴极上外加偏压，使阳极生成过氧化氢，阴极生成氢气。

所述纯相或掺杂钒酸铋单晶的化学成分为(Bi_1-xA_x)(V_1-yB_y)O₄,其中A为+3价金属阳离子，B为+4或+6价金属阳离子，0≤x,y≤0.2。

所述的+3价金属阳离子为Sc、Fe、Ga、In或Sb的金属阳离子。

所述的+4或+6价金属阳离子为Ti、W或Mo的金属阳离子。

所述的碱性电解液为pH值范围8-14。

所述阴极为铅、石墨或镍基合金。

电解完成后收集阳极区域的电解液，蒸发、浓缩，得到过氧化氢溶液。

所述的纯相或掺杂钒酸铋单晶片固定在导电玻璃的导电膜上。

所述导电玻璃嵌在电解槽的槽壁上，使光线能够透过导电玻璃照射在钒酸铋单晶片上。