三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用、一种电解水制氢用电解液

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1.本发明涉及电解水技术领域，特别涉及三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用、一种电解水制氢用电解液。

背景技术：

2.随着化石燃料的不断消耗以及环境污染的日益加剧，科学家一直在致力于开发清洁价廉的新能源，例如核能、太阳能、海洋能、地热能、风能、氢能等，努力朝着可持续发展的持久性能源结构前进。而其中氢能源能量密度高，作为燃料载体提供能量时不产生大气污染物，可实现无碳排放，正越来越受到人们的关注。
3.目前在众多的氢能源生产工艺中，从水中电解制氢工艺较为简单，技术比较成熟。水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在两个电极上分别发生电化学反应，即电化学析氢反应(her)和电化学析氧反应(oer)，从而得到氢气和氧气。
4.在电解水制氢过程中，常用的电解质为强酸或强碱。然而，单独使用强酸或强碱作为电解质，电化学反应效率不高。现有技术往往在电解液中加入十二烷基硫酸钠(sds)，但它提升电化学反应效率的幅度很小。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明目的在于提供三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用、一种电解水制氢用电解液，本发明以三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，能够大幅度提高电解水制氢的电化学反应效率。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.本发明提供了三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用。
8.优选的，所述三氟乙酸在电解液中的添加量为0.01～0.6mol/l。
9.本发明提供了一种电解水制氢用电解液，成分包括三氟乙酸和电解质溶液，所述电解质溶液的ph值为0～14。
10.优选的，所述电解质溶液为无机强酸溶液、无机强碱溶液或缓冲溶液。
11.优选的，所述无机强酸为硫酸。
12.优选的，所述无机强碱为氢氧化钾和/或氢氧化钠。
13.优选的，所述缓冲溶液为kh2po4缓冲溶液、磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液或碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液。
14.优选的，所述三氟乙酸在电解水制氢用电解液中的摩尔浓度为0.01～0.6mol/l。
15.本发明提供了一种电解水制氢的方法，包括以下步骤：
16.使用三电极体系对上述电解水制氢用电解液进行电解，得到氢气。
17.本发明提供了三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用。本发明以三氟乙酸作为电
解水制氢的增效剂，三氟乙酸的加入使气泡表面张力降低，气泡粘附力减弱，生成气泡的过饱和度减小，使纳米气泡更容易生长为宏观气泡，从而提高反应效率，可以促进电解水制氢过程中电化学析氢反应的进行，较大程度地增加电化学反应的电流，且可以改变起峰电位，使其起峰提前，从而提高整个电化学反应的效率。三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，在酸性、中性和碱性电解质体系中均适用。实施例结果表明，以三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，在不同ph条件下，均可以使her效率提高，并可以使起峰电位提前。
18.本发明提供了一种电解水制氢用电解液，成分包括三氟乙酸和电解质溶液，所述电解质溶液的ph值为0～14。本发明提供的电解水制氢用电解液以三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，具有较高的电化学反应效率。
附图说明
19.图1为实施例1在酸性条件下进行her反应的lsv曲线；
20.图2为实施例2在碱性条件下进行her反应的lsv曲线；
21.图3为实施例3在中性条件下进行her反应的lsv曲线；
22.图4为实施例4在ph值为0时的lsv曲线；
23.图5为实施例4在ph值为4时的lsv曲线；
24.图6为实施例4在ph值为7时的lsv曲线；
25.图7为实施例4在ph值为10时的lsv曲线；
26.图8为实施例4在ph值为14时的lsv曲线；
27.图9为对比例1进行her反应的lsv曲线；
28.图10为对比例2进行her反应的lsv曲线。
具体实施方式
29.本发明提供了三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用。
30.在本发明中，所述三氟乙酸在电解液中的添加量优选为0.01～0.6mol/l，更优选为0.1～0.5mol/l，进一步优选为0.2～0.4mol/l。
31.本发明以三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，可以促进电解水过程中电化学析氢反应(her)进行，较大程度地增加电化学反应的电流，且在电化学析氢反应中可以改变起峰电位，使其起峰提前，从而提高整个电化学反应的效率；且三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，在酸性电解质体系和碱性电解质体系中均适用。
32.本发明提供了一种电解水制氢用电解液，成分包括三氟乙酸和电解质溶液，所述电解质溶液的ph值为0～14，优选为1～12，更优选为3～10，进一步优选为5～7。
33.在本发明中，所述电解质溶液优选为无机强酸溶液、无机强碱溶液或缓冲溶液。
34.在本发明中，所述无机强酸优选为硫酸。
35.在本发明中，所述无机强碱有限为氢氧化钾和/或氢氧化钠。
36.在本发明中，所述缓冲溶液优选为kh2po4缓冲溶液、磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液或碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液。
37.在本发明中，所述磷酸二氢钾缓冲溶液为酸性电解液；所述磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液为中性电解液；所述碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液为碱性电解液。
38.在本发明中，所述三氟乙酸在电解水制氢用电解液中的摩尔浓度优选为0.01～0.6mol/l，更优选为0.1～0.5mol/l，进一步优选为0.2～0.4mol/l。
39.本发明提供了上述电解水制氢用电解液的制备方法，包括以下步骤：
40.将三氟乙酸和电解质溶液混合，得到电解水制氢用电解液。
41.在本发明中，所述混合的方式优选为：
42.在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合。本发明对所述搅拌混合的具体操作方式没有特殊的要求。
43.在本发明中，所述混合的温度优选为20～30℃，更优选为25℃。
44.本发明提供了一种电解水制氢的方法，包括以下步骤：
45.使用三电极体系对上述电解水制氢用电解液进行电解，得到氢气和氧气。
46.在本发明中，所述电解水制氢时，所述三电极体系包括对电极、工作电极和参比电极；所述对电极优选为铂丝，所述工作电极优选为铂片。
47.在本发明中，当所述电解质溶液为酸性或中性时，所述参比电极优选为饱和甘汞电极；当所述电解质溶液为碱性时，所述参比电极优选为电极。
48.在本发明中，所述电解水制氢的电极还优选为碱性膜电极。
49.下面结合实施例对本发明提供的三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用、一种电解水制氢用电解液进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
50.实施例1
51.配制溶液：
52.配制ph＝4的kh2po4缓冲溶液，取40ml该溶液作为空白对照。再取一定量的上述溶液使三氟乙酸(tfa)浓度分别为0.01m、0.05m、0.1m，溶液总体积为40ml。
53.使用以上四种溶液作为电解水用电解质，以铂丝为对电极，铂片为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极构成三电极体系。在酸性条件下，进行her，测量以上四种溶液的lsv曲线，所得结果如图1所示；在-1ma对应的电压如表1所示。
54.表1电流为-1ma时不同三氟乙酸含量下的电压
55.tfa含量/(mol/l)00.010.050.1电压/(mv)-114.8-94.95-58.53-25.76
56.由图1和表1可以看出，随着tfa浓度的增加，电流增大，起峰电位提前，her效率提高。浓度过高的话会可能会降低溶液导电性，反而不会有很好的效果。
57.实施例2
58.配制溶液：
59.配制ph＝10的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液，取40ml该溶液作为空白对照。再取一定量的上述溶液使三氟乙酸浓度分别为0.1m、0.2m、0.4m、0.6m后，溶液总体积为40ml。
60.使用以上五种溶液作为电解水用电解质，以铂丝为对电极，铂片为工作电极，电极为参比电极构成三电极体系。在碱性条件下，进行her，测量以上五种溶液的lsv曲线，所得结果如图2所示；在-1ma对应的电压如表2所示。
61.表2电流为-1ma时不同三氟乙酸含量下的电压
62.tfa含量/(mol/l)00.10.20.40.6电压/(mv)8.42117.2829.5751.8699.58
63.由表2和图2可以看出，在碱性条件下，随着tfa浓度的增加，电流增大，起峰电位提前，her效率提高。
64.实施例3
65.配制溶液：
66.配制ph＝7的磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液，取40ml该溶液作为空白对照。再取一定量的上述溶液使三氟乙酸浓度分别为0.01m、0.05m、0.2m后，溶液总体积为40ml。
67.使用以上四种溶液作为电解水用电解质，以铂丝为对电极，铂片为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极构成三电极体系。在中性条件下，进行her，测量以上四种溶液的lsv曲线，所得结果如图3所示；在-1ma对应的电压如表3所示。
68.表3电流为-1ma时不同三氟乙酸含量下的电压
69.tfa含量/(mol/l)00.010.050.2电压/(mv)32.7744.7052.2477.39
70.由表3和图3可以看出，在中性条件下，随着tfa浓度的增加，起峰电位提前，her效率提高。
71.实施例4
72.分别配制ph值为0、4、7、10、14的电解液，取40ml该溶液作为空白对照。再取一定量的上述溶液，加入三氟乙酸，使三氟乙酸浓度均为0.01m，溶液总体积为40ml。电解液成分见表4。
73.表4电解液成分
[0074][0075]
使用以上五种溶液作为电解水用电解质，以铂丝为对电极，铂片为工作电极，饱和甘汞电极(ph为酸性或中性)或电极(ph为碱性)为参比电极构成三电极体系。进行her，测量以上五种溶液的lsv曲线，所得结果如图4～8所示，其中，图4为ph值为0时的lsv曲线，图5为ph值为4时的lsv曲线，图6为ph值为7时的lsv曲线，图7为ph值为10时的lsv曲线，图8为ph值为14时的lsv曲线。
[0076]
由图4～8可以看出，在酸性、中性和碱性条件下，tfa对her均有促进作用。
[0077]
对比例1
[0078]
配制ph＝1的h2so4溶液，取50ml该溶液作为空白对照。再取一定量的上述溶液加入0.1cmc、0.3cmc、0.5cmc、0.7cmc和1cmc的十二烷基硫酸钠(sds)后，溶液总体积为50ml，其中cmc表示临界胶束浓度。在上述六种溶液中，进行her，测得其lsv曲线，所得结果如图9所示；在-1ma对应的电压如表5所示。
[0079]
表5-1ma时不同sds含量下的电压
[0080]
sds含量00.1cmc0.3cmc0.5cmc0.7cmc1cmc电压/(mv)-31.68-24.83-22.54-22.05-25.79-26.63
[0081]
由图9和表5可以看出，sds的加入可以一定程度的增大电流，对起峰电位提前也有
一定的效果，提高her的效率，但是提升幅度较小，效果不够显著。
[0082]
对比例2
[0083]
配制ph＝1的h2so4溶液，取50ml该溶液作为空白对照。再取一定量的上述溶液加入0.1cmc、0.3cmc、0.5cmc、0.7cmc和1cmc的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)后，溶液总体积为50ml，其中cmc表示临界胶束浓度。在上述六种溶液中，进行her，测得其lsv曲线，所得结果如图10所示；在-1ma对应的电压如表6所示。
[0084]
表6-1ma时不同ctab含量下的电压
[0085]
tfa含量00.1cmc0.3cmc0.5cmc0.7cmc1cmc电压/(mv)-27.53-28.97-33.05-30.93-35.33-34.04
[0086]
由图10和表6可以看出，ctab的加入反而会抑制电流的增大，也会使起峰电位滞后，可能是因为ctab是阳离子表面活性剂，会对氢离子的迁移起抑制作用，不利于her效率的提高。
[0087]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述三氟乙酸在电解液中的添加量为0.01～0.6mol/l。3.一种电解水制氢用电解液，成分包括三氟乙酸和电解质溶液，所述电解质溶液的ph值为0～14。4.根据权利要求3所述的电解水制氢用电解液，其特征在于，所述电解质溶液为无机强酸溶液、无机强碱溶液或缓冲溶液。5.根据权利要求4所述的电解水制氢用电解液，其特征在于，所述无机强酸为硫酸。6.根据权利要求4所述的电解水制氢用电解液，其特征在于，所述无机强碱为氢氧化钾和/或氢氧化钠。7.根据权利要求4所述的电解水制氢用电解液，其特征在于，所述缓冲溶液为kh2po4缓冲溶液、磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液或碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液。8.根据权利要求3所述的电解水制氢用电解液，其特征在于，所述三氟乙酸在电解水制氢用电解液中的摩尔浓度为0.01～0.6mol/l。9.一种电解水制氢的方法，包括以下步骤：使用三电极体系对权利要求3～8任意一项所述电解水制氢用电解液进行电解，得到氢气。

技术总结

本发明提供了三氟乙酸作为电解水制氢增效剂的应用、一种电解水制氢用电解液，属于电解水技术领域。本发明以三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，可以促进电解水过程中电化学析氢反应的进行，较大程度地增加电化学反应的电流，且可以改变起峰电位，使其起峰提前，从而提高整个电化学反应的效率；且三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，在酸性、中性和碱性电解质体系中均适用。实施例结果表明，以三氟乙酸作为电解水制氢增效剂，在不同pH条件下，均会使HER效率提高，并可以使起峰电位提前。并可以使起峰电位提前。并可以使起峰电位提前。