Способ получения молекулярного водорода


 

C25B1/04 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2487965:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" (RU)

Изобретение относится к области электрохимии. Молекулярный водород получают из воды электрохимическим методом в присутствии катализатора - галогенида алкильной соли акридинилия, выполняющего также роль фонового электролита. Электрохимический процесс осуществляют с использованием стеклоуглеродного рабочего электрода, стеклоуглеродного вспомогательного электрода и хлорсеребряного электрода сравнения при потенциале, равном от 0 до -1,0 В. Изобретение позволяет упростить, удешевить процесс, улучшить экологию получения молекулярного водорода.

 

Изобретение относится к области электрохимических производств, в частности электрохимическому способу получения водорода из воды.

Использование молекулярного водорода является одним из возможных путей рационального и устойчивого развития современной энергетики. Способность водорода вступать при повышенных температурах в каталитические реакции гидрирования широко используется в химической (синтез аммиака и метанола), нефтехимической (гидрокрекинг) и пищевой (гидрирование растительных жиров) промышленностях, а также в ряде других отраслей. Восстановительные свойства водорода используются в химической технологии, в порошковой металлургии, металлообработке, машиностроении, микроэлектронике. До сих пор наиболее эффективным среди таких катализаторов электролиза воды (разложения на кислород и водород с помощью электричества) считается платина - дорогой и редкий металл, запасы которого на планете очень ограничены, в связи с чем многие научные группы ищут ему замену.

В настоящее время в литературе описаны лишь несколько типов катализаторов, которые способны разлагать воду на водород и кислород. Так, группой ученых под руководством Даниэля Носера (Daniel Nocera) из Массачусетского технологического института в США показана применимость для этих целей соединений кобальта - довольно распространенного и доступного металла [Joep J.H. Pijpers, Mark T. Winkler, Yogesh Surendranath, Tonio Buonassisi and Daniel G. Nocera, PNAS, 2011, V. 108, p.10056]. В последующей за ней работе ученые из группы Носера описывают каталитическую систему, которая представляет собой соединение на основе элементов никеля и бора [Arthur J. Esswein, Yogesh Surendranath, Steven Y. Reece and Daniel G. Nocera, Energy Environ. Sci., 2011, 4, р.499-504]. Оно может быть нанесено в виде тонкой пленки на любую поверхность с помощью электричества. На получающемся таким образом электроде, опущенном в водный раствор соединений бора (электролит), при приложении электрического напряжения менее чем в два вольта происходит реакция разложения воды с выделением кислорода. При этом на противоположном электроде происходит реакция с выделением чистого водорода. Достоинство нового катализатора состоит в том, что он может быть получен из широко распространенных и дешевых элементов. Кроме того, он обладает хорошими рабочими характеристиками, которые позволяют надеяться на то, что подобные каталитические системы в будущем найдут коммерческое применение. Для этого ученым необходимо увеличить мощность подобных катализаторов, "научить" их работать на обычной воде без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов, а также для максимальной эффективности совместить в едином устройстве с солнечными элементами.

В такой энергетической установке избыток электричества, вырабатываемый в светлое время суток, может быть преобразован в водород и накоплен для использования в темное время суток. Эта концепция подразумевает полный цикл генерации и использования энергии малыми хозяйствами, что очень удобно и намного более эффективно, нежели централизованное получение энергии на электростанциях и дальнейшее ее распределение по электросетям.

Автор работы, Джефри Лонг (Jeffrey Long) из Калифорнийского университета в Беркли, сумел предложить кардинально новый принцип создания катализаторов для получения водорода из воды [Hemamala I. Karunadasa, Christopher J. Chang, Jeffrey R. Long, Nature, 2010, 464, 1329-1333]. Его основу составляет атом металла молибдена - распространенного металла, широко использующегося в производстве легированных сталей. В катализаторе Лонга этот атом окружен пятью лигандами - присоединенными к нему фрагментами органических молекул на основе пиридина - циклической молекулы с одним атомом азота. Изначально подобные соединения заинтересовали Лонга своими магнитными свойствами, однако на определенном этапе синтетических работ группа ученого обнаружила, что одно из синтезированных соединений обладает способностью к транспорту электронов, что является ключевой характеристикой катализаторов для получения водорода.

Протестировав свое соединение на каталитическую активность, ученые обнаружили, что соединение обладает значительной эффективностью и скоростью работы как в чистой, так и в соленой морской воде, а также существенно более устойчиво к деградации по сравнению с катализаторами на основе биологических молекул. Эта стабильность обусловлена тем, что атом молибдена связан в молекуле с 5 лигандами, которые надежно его удерживают.

Однако все представленные электрокаталитические процессы имеют ряд недостатков: низкая стабильность катализаторов во времени, высокие значения перенапряжения потенциала, низкая скорость электрокаталитического процесса, невозможность проводить каталитическую реакцию в гомогенном режиме, невозможность проводить реакцию без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов (дополнительные экономические затраты). Самым основным недостатком является неоправданно высокие энергетические затраты. Поэтому все разработанные в настоящее время каталитические системы не могут использоваться как коммерческие катализаторы.

Технический результат заключается в упрощении, удешевлении процесса получения молекулярного водорода при улучшении экологичности.

Сущность изобретения заключается в том, что способ получения молекулярного водорода из воды электрохимическим методом осуществляют в присутствии катализатора, в качестве которого используют галогенид алкильную соль акридинилия, выполняющую также роль фонового электролита. Электрохимический процесс осуществляют с использованием стеклоуглеродного рабочего электрода, стеклоуглеродного вспомогательного электрода и хлорсеребряного электрода сравнения при потенциале, равном от 0 до -1,0 В.

Галогенид алкильная соль акридинилия относится к электронно-избыточным радикалам, способным к очень легкому окислению с образованием устойчивых при стандартных условиях органических водорастворимых солей (Танасейчук Б.С. Начала химии стабильных свободных радикалов, Саранск, изд-во Мордовского госуниверситета, 2011, с.8-13).

При значениях потенциала менее нуля электрохимический процесс не протекает, а выше -1,0 В - экономически неоправдан.

Способ осуществляют следующим образом. В электрохимическую ячейку объемом 10 мл, содержащую дистиллированную воду (рН=7), помещают катализатор - галогенид алкильной соли акридинилия, рабочий электрод - стеклоуглерод, вспомогательный - стеклоуглерод, электрод сравнения - хлорсеребряный (Ag/AgCl/KClaq). Накладывают потенциал, равный - 0,55 В. В ходе протекания электрохимического процесса электролиза образуется молекулярный водород.

Процесс получения молекулярного водорода в присутствии органического катализатора имеет несомненное преимущество по сравнению с известными:

1) простота технологического процесса;

2) его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке;

3) возможность получения ценнейших побочных продуктов - тяжелой воды и кислорода;

4) общедоступное и неисчерпаемое сырье - вода;

5) процесс протекает при стандартной температуре и не требует дополнительно нагревания, либо охлаждения;

6) органические катализаторы очень легко утилизировать или перерабатывать;

7) использование органического катализатора позволит в несколько раз уменьшить стоимость производства особо чистого молекулярного водорода, т.к. катализатор работает при очень низких значениях потенциала и в ходе каталитического процесса выход молекулярного водорода по току 100%;

8) экологичность процесса обеспечивается участием только воды и органического катализатора, что делает этот процесс безвредным и безотходным;

9) возможность тонкой подстройки рабочего потенциала катализатора в зависимости от рН используемого раствора;

10) используемый катализатор также выполняет роль фонового электролита, что позволяет не вводить в систему дополнительные компоненты - в конечном итоге уменьшается стоимость процесса получения и существенно снижаются требования к оборудованию.

Способ получения молекулярного водорода из воды электрохимическим методом в присутствии катализатора, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют галогенид алкильную соль акридинилия, выполняющую также роль фонового электролита, при этом электрохимический процесс осуществляют с использованием стеклоуглеродного рабочего электрода, стеклоуглеродного вспомогательного электрода и хлорсеребряного электрода сравнения при потенциале, равном от 0 до -1,0 В.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химическим производствам, в частности к металлоксидному электроду, технологии его изготовления и применению в аналитической химии. .

Изобретение относится к химическим производствам, в частности к металлоксидному электроду, технологии его изготовления и применению в аналитической химии. .

Электрод // 2487197
Изобретение относится к электроду, имеющему улучшенные рабочие характеристики, содержащему а) электродную подложку, содержащую М(n+1)АХn, где М представляет собой металл группы IIIB-VIB или VIII Периодической таблицы элементов или их комбинацию, А представляет собой элемент группы III-VIA или их комбинацию, Х представляет собой углерод, азот или их комбинацию, где n составляет 1, 2 или 3; и b) электрокаталитическое покрытие, осажденное на упомянутой электродной подложке, которое выбрано из b.1) оксида металла и/или сульфида металла, содержащего ByC(1-y)Oz1Sz2, где В по меньшей мере один из рутения, платины, родия, палладия, иридия и кобальта, С представляет собой по меньшей мере один вентильный металл, у составляет 0,4-0,9; 0<=z1, z2<=2 и z1+z2=2; b.2) оксида металла, содержащего BfC gDhEi, где В представляет собой по меньшей мере один из рутения, платины, родия, палладия и кобальта, С представляет собой по меньшей мере один вентильный металл, D представляет собой иридий, Е представляет собой Мо и/или W, причем f составляет 0-0,25 или 0,35-1, g составляет 0-1, h составляет 0-1, i составляет 0-1, при этом f+g+h+i=1; b.3) no меньшей мере одного благородного металла; b.4) любого сплава или смеси, содержащего(ей) железо-молибден, железо-вольфрам, железо-никель, рутений-молибден, рутений-вольфрам или их смеси; b.5) по меньшей мере одного нанокристаллического материала.

Электрод // 2487197
Изобретение относится к электроду, имеющему улучшенные рабочие характеристики, содержащему а) электродную подложку, содержащую М(n+1)АХn, где М представляет собой металл группы IIIB-VIB или VIII Периодической таблицы элементов или их комбинацию, А представляет собой элемент группы III-VIA или их комбинацию, Х представляет собой углерод, азот или их комбинацию, где n составляет 1, 2 или 3; и b) электрокаталитическое покрытие, осажденное на упомянутой электродной подложке, которое выбрано из b.1) оксида металла и/или сульфида металла, содержащего ByC(1-y)Oz1Sz2, где В по меньшей мере один из рутения, платины, родия, палладия, иридия и кобальта, С представляет собой по меньшей мере один вентильный металл, у составляет 0,4-0,9; 0<=z1, z2<=2 и z1+z2=2; b.2) оксида металла, содержащего BfC gDhEi, где В представляет собой по меньшей мере один из рутения, платины, родия, палладия и кобальта, С представляет собой по меньшей мере один вентильный металл, D представляет собой иридий, Е представляет собой Мо и/или W, причем f составляет 0-0,25 или 0,35-1, g составляет 0-1, h составляет 0-1, i составляет 0-1, при этом f+g+h+i=1; b.3) no меньшей мере одного благородного металла; b.4) любого сплава или смеси, содержащего(ей) железо-молибден, железо-вольфрам, железо-никель, рутений-молибден, рутений-вольфрам или их смеси; b.5) по меньшей мере одного нанокристаллического материала.

Изобретение относится к области получения технического водорода для топливных элементов. .

Изобретение относится к способу изготовления активированных электродов для электролитического получения водорода и кислорода в электролизерах со щелочным электролитом.

Изобретение относится к области металлургии неметаллов, а именно к производству электролитического кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния в виде нано- и микроструктурных порошков и/или волокон.

Изобретение относится к способу получения 2,4-динитро- или 2,4,6-тринитробензойных кислот, которые находят применение в качестве полупродуктов в синтезе биологически активных веществ, исходных соединений в производстве красителей и ароматических конденсационных полимеров.
Цеолит y // 2487756
Цеолит y // 2487756

Изобретение относится к катализатору, который включает в себя:- подложку, содержащую по меньшей мере один твердый кристаллический IZM-2, в рентгенограмме которого имеются по меньшей мере спектральные линии, записанные в таблице ниже, где FF = очень интенсивная; F = интенсивная; m = средняя; mf = умеренно слабая; f = слабая; ff = очень слабая, и который имеет химический состав, выраженный на безводное основание, в расчете на моли оксидов, отвечающие следующей общей формуле ХО2:aY2O3:bM2/ nO, в которой Х означает по меньшей мере один четырехвалентный элемент, Y означает по меньшей мере один трехвалентный элемент и М представляет собой по меньшей мере один щелочной металл и/или щелочноземельный металл, валентности n, а и b означают соответственно число молей Y2O3 и М2/n O, и а составляет от 0 до 0,5, а b составляет от 0 до 1, и - активную фазу, содержащую по меньшей мере один гидрирующий-дегидрирующий элемент группы VIB и/или по меньшей мере один гидрирующий-дегидрирующий неблагородный элемент группы VIII периодической системы, причем указанный катализатор является катализатором с сульфидированной фазой.

Изобретение относится к области получения технического водорода для топливных элементов. .
Изобретение относится к технологии получения углеродного материала. .

Изобретение относится к химической технологии получения коллоидных частиц кремнезема, а именно его золей (силиказолей), растворимых в безводных органических растворителях, и может найти применение в химической промышленности для получения различных наноструктурных полимерных композиционных материалов, при синтезе различных адсорбентов, различных связующих, носителей для катализаторов и т.п.

Изобретение относится к конструкционным материалам, работающим в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, которые могут быть использованы в химической, нефтехимической, металлургической промышленности и авиатехнике.

Изобретение относится к способу преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в продуктах парогазовой конверсии углеводорода, в котором с использованием концентратора солнечной энергии проводят реакцию паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода.
Изобретение относится к способу получения наночастиц оксида переходного металла, покрытых аморфным углеродом. .
Наверх