一种电解气态物质的方法及装置与流程

1.本发明涉及气体电解技术领域，尤其涉及一种电解气态物质的方法及装置。


背景技术：

2.环境问题是当今世界最为关注的问题之一，研究和发展新的清洁能源显得尤为重要。地球上氢能的储量丰富，燃烧不产生污染，燃烧热值高，被看做是21世纪理想的新能源。
3.现有技术中，制氢方式有多种，包括电解水制氢、水煤气法制氢、由石油热裂的合成气和天然气制氢、焦炉煤气冷冻制氢、甲醇裂解制氢、电解食盐水的副产氢、酿造工业副产氢，上述制氢方法或多或少存在不同的缺点，如电解水制氢工艺(可参考专利文献cn112575344a提出的一种全浸式无氧环境电解水制氢系统)，由于水的裂解过程是一个吸热的过程，故电解水制氢的成本较高，且需要加入催化剂，使用离子交换膜，增加了电解过程的操作复杂程度；水煤气制氢具体为用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气(c+h2o
→
co+h2)，净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的co转化成co2(co+h2o
→
co2+h2)可得含氢量在80％以上的气体，再压入水中以溶去co2，这种方法制氢需要在高温条件下反应，能耗较高；由石油热裂的合成气和天然气制氢、以及焦炉煤气冷冻制氢受到原料制约，制氢成本也较高；甲醇裂解制氢(可参考专利文献cn112588279a提出的一种用于甲醇蒸汽重整制氢的催化剂的制备方法及其产品和应用)则需要在一定的压力、一定的温度及特种气固催化剂的作用下，甲醇和水发生裂解变换反应，转化成的气体再经过换热、冷凝、净化、吸附，才能提取出产品氢气，此种方法制氢工艺复杂，成本较高；电解食盐水的副产氢具体为工业上用电解饱和nacl溶液的方法来制取naoh、cl2和h2，副产氢气比例小，受地域制约，氯碱工业为基础的化工生产过程中会对环境造成污染；酿造工业副产氢通常为酒厂副产，行业跨度大，副产氢气不能满足大规模工业用氢。
4.而目前获取石墨烯的途径大致可分为两大类，自上而下的顶层剥离(exfoliation)和自下而上的底层生长(growth)：
5.一是利用各种物理、化学手段削弱石墨层与层间的范德华力剥离得到单层或少层石墨烯，主要有机械剥离法、液相剥离法、氧化还原剥离法，前两种方法得到的石墨烯产率都较低，不适合大规模生产，而氧化还原剥离法虽然成本低廉而且可实现批量化生产，但是在氧化的过程中由于破坏了自身的共轭结构，以及还原不彻底导致得到的石墨烯缺陷较多；二是通过化学反应合成石墨烯片层，有化学气相沉积法、外延生长法以及有机合成法，其中，化学气相沉积法(chemical vapour deposition，cvd)是指用甲烷、乙醇等碳源(含碳前驱体)在高温下分解释放出碳原子，并经退火沉积在基底(多为金属基底)生长石墨烯的方法，是目前最有可能得到大面积、高质量石墨烯的理想方法。
6.综上所述，制备方法多集中在常规的高温、高压催化转化上，不仅消耗大量能源，而且催化效率也不高，急需一种绿色环保、耗能低、经济效益高的制备方法解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种电解气态物质的方法及装置，制备过程绿色环保，能耗低，具有较高的经济效益。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.一种电解气态物质的方法，包括如下步骤：
10.s1、向密封空间内充入原料气，使原料气充满整个密封空间，所述原料气为不同元素组成的气态物质；
11.s2、在密封空间中设置交流电极对，交流电极对包括两个交流电极，将两个交流电极接通交流电，使两个交流电极之间形成交变电场；
12.s3、在交流电极对间设置多组直流电极对,所述直流电极对之间相互平行，任一组所述直流电极对包括两个相互平行的直流电极，将两个所述直流电极接通直流电，使两个直流电极分别成为阳极和阴极；
13.s4、所述原料气在交变电场的作用下被等离子化，外围电子被激发，成为低温等离子体，在阳极和阴极形成的电场作用下，气态离子分别向阳极和阴极聚集，生成两种不同的物质，实现气态物质的电解。
14.进一步设置为：在步骤s1之前，该方法进一步包括：排出原密封空间内的空气和杂质,排出方式包括抽真空法、充液排气法和压差排气法；
15.所述抽真空法为先将密封空间抽成真空状态，再充入原料气；
16.所述充液排气法为先向密封空间充入液体以排出原密封空间内的空气和杂质，再充入原料气以排出液体；
17.所述压差排气法为先充入和原料气密度差异较大的气体，再利用压差充入原料气以排出前者。
18.进一步设置为：在步骤s2中，所述交流电的电压为:
[0019][0020]
其中，p1为密封空间内实际压强；
[0021]
p0为标准大气压压强；
[0022]
l1为两个交流电极的距离(单位为mm)；
[0023]
所述交流电可以是正弦波，也可是方波或其他波形。
[0024]
进一步设置为：所述交流电极对的电极为三层结构，两个外表层为绝缘体，中间层为导电体，两个电极的导电体通过导线接通交流电。
[0025]
进一步设置为：所述直流电极对和交流电极对相互垂直且互不接触，所述直流电极对和交流电极对的距离l2≥0.1mm。
[0026]
进一步设置为：所述交流电极和直流电极间充满绝缘物质，其绝缘能力应
[0027]
进一步设置为：在步骤s3中，所述直流电的电压为：
[0028]
≥ε
ꢀꢀ
(v)
[0029]
其中，ε为原料气组成元素最外层电子的最大电势；所述直流电的波形可以为直
线，也可根据工况要求采用脉冲波形、锯齿波形等波形；
[0030]
调节直流电的电压、电流和波形，可以在阳极和阴极上形成同种元素组成的不同组成结构(单质状态为同素异形体)。
[0031]
进一步设置为：所述交流电极上开设有第一散热通道，所述直流电极上开设有第二散热通道，所述第一散热通道和第二散热通道内部流通有冷却液。
[0032]
进一步设置为：所述第一散热通道和第二散热通道各自独立循环冷却时，冷却液可以采用水或其他冷却液体，但各冷却系统间应做好绝缘；当冷却液采用绝缘液体时(比如变压器油)，所述第一散热通道和第二散热通道可以共用一个循环冷却系统。
[0033]
本发明还提供了一种电解气态物质的装置，所述装置用于实现上述所述的方法，包括排空系统、进气系统、放电系统、散热系统，
[0034]
所述放电系统包括密封空间，所述密封空间内设有两个相互平行的交流电极对，两个所述交流电极对之间接通交流电，两个所述交流电极对之间设置有多组直流电极对，所述直流电极对包括两个接通直流电的直流电极对，所述直流电极对和交流电极对相互垂直且互不接触；
[0035]
所述排空系统用于系统启动前排空密封空间内杂质，确保原料气进入后无杂质；
[0036]
所述进气系统用于向密封空间充入原料气；
[0037]
所述散热系统用于将交流电极对和直流电极对产生的热量及时散出，确保系统稳定运行。
[0038]
进一步设置为：所述排空系统包括真空管路、真空泵和真空计，所述真空泵通过真空管路和密封空间相连通，所述真空计连接于真空管路上，所述真空管路和密封空间的连接处设有第一电磁阀。
[0039]
进一步设置为：所述进气系统包括进气管路、进气泵和流量计，所述进气泵通过进气管路和密封空间相连通，所述流量计连接于进气管路上，所述进气管路和密封空间的连接处设有第二电磁阀。
[0040]
综上所述，本发明的有益技术效果为：
[0041]
(1)常温常压即可实现气态物质电解，反应过程绿色环保，安全无污染，且能耗低，降低了生产成本，具有极大的经济效益。
[0042]
(2)无需加入催化剂即可实现电解,在电解过程中无需使用离子交换膜，简化了制备工艺流程。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为实施例1中电解气态物质的方法的工作流程图；
[0045]
图2为实施例2中电解气态物质的装置的结构示意图；
[0046]
图3为实施例2中第一散热部的结构示意图；
[0047]
图4为实施例2中第二散热部的结构示意图。
[0048]
附图标记：100、排空系统；110、真空管路；120、真空泵；130、真空计；140、第一电磁阀；200、进气系统；210、进气管路；220、进气泵；230、流量计；240、第二电磁阀；300、放电系统；310、密封空间；311、出气口；312、第三电磁阀；320、交流电极；321、绝缘体；322、导电体；330、直流电极；400、散热系统；410、第一冷却泵；420、第一冷却液箱；430、第一散热通道；440、第二冷却泵；450、第二冷却液箱；460、第二散热通道。
具体实施方式
[0049]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0051]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052]
下面首先对本技术文件涉及的技术术语进行简单介绍：
[0053]
等离子体：是在特定条件下使气体部分电离而产生的非凝聚体系，是由中性的原子或分子，激发态的原子或分子、自由基、电子或负离子、正离子及辐射光子组成，且整体上表现为近似电中性的电离气体，是有别于固、液和气三态的物质存在的又一种聚集态，又称物质第四态，或等离子态。
[0054]
高温等离子体(tg＞104k)：自由电子、中性分子和各种粒子温度非常高，一般为5000℃～50000℃。
[0055]
低温等离子体(tg＜104k)：低温等离子体又可分为热等离子体(thermal plasma)或称平衡等离子体(equilibrium plasma)和冷等离子体(cold plasma)或称非平衡等离子体(non equilibrium plasma)。前者由稠密气体在常压下或高压下电弧放电或高频放电产生，体系中各粒子温度接近相等；后者由低气压下的稀薄气体用高频、微波等激发辉光放电或常压气体电晕放电而产生等离子体(te》》tg≈室温～数百度，te电子温度，tg气体温度)。冷等离子体由于电子与气体之间不存在热平衡，这意味着电子可以拥有使化学键断裂的足够能量，而气体温度又可以保持与环境温度相近。
[0056]
实施例1
[0057]
参照图1，为本发明公开的一种电解气态物质的方法，包括如下步骤：
[0058]
s1、向密封空间内充入原料气，使原料气充满整个密封空间，所述原料气为不同元素组成的气态物质；其中，密封空间可以为常温常压状态，也可以为高压或低压状态；
[0059]
s2、在密封空间中设置交流电极对，交流电极对包括两个交流电极，将两个交流电
极接通交流电，使两个交流电极之间形成交变电场；
[0060]
s3、在交流电极对间设置多组直流电极对，所述直流电极对之间相互平行，任一组直流电极对包括两个直流电极，将两个直流电极接通直流电，使两个直流电极分别成为阳极和阴极；
[0061]
s4、原料气在交变电场的作用下被等离子化，外围电子被激发，成为低温等离子体，在阳极和阴极形成的电场作用下，气态离子分别向阳极和阴极聚集，生成两种不同的物质，实现气态物质的电解。
[0062]
在步骤s1之前，该方法进一步包括：排出原密封空间内的空气和杂质,排出方式包括抽真空法、充液排气法和压差排气法；
[0063]
抽真空法为先将密封空间抽成真空状态，再充入原料气；
[0064]
充液排气法为先向密封空间充入液体以排出原密封空间内的空气和杂质，再充入原料气以排出液体；
[0065]
压差排气法为先充入和原料气密度差异较大的气体，再利用压差充入原料气以排出前者。
[0066]
在步骤s2中，交流电的电压为:
[0067][0068]
其中，p1为密封空间内实际压强，p0为标准大气压压强，l1为两个交流电极的距离(单位为mm),接通交流电后，使得交流电极对间形成强交变电场。
[0069]
交流电可以是正弦波，也可是方波或其他波形，交流电极为三层结构，两个外表层为绝缘体，中间层为导电体，两个导电体之间通过导线接通交流电。
[0070]
交流电极对为三层结构，两个外表层为绝缘体，中间层为导电体，两个电极的导电体通过导线接通交流电。其中，绝缘体的材质可以采用陶瓷、石英玻璃等化学性质稳定、耐热绝缘性能好的材料，所述导电体的材质可以采用铜、不锈钢等导电材料。
[0071]
直流电极对和交流电极对相互垂直且互不接触，直流电极对和交流电极对的距离l2≥0.1mm。
[0072]
交流电极和直流电极间充满绝缘物质，其绝缘能力应交流电极和直流电极间充满绝缘物质，其绝缘能力应
[0073]
在步骤s3中，直流电的电压为：
[0074]
≥ε
ꢀꢀ
(v)
[0075]
其中，ε为原料气组成元素最外层电子的最大电势；所述直流电的波形可以为直线，也可根据工况要求采用脉冲波形、锯齿波形等波形。
[0076]
阴极、阳极的材料为不和原料气任一元素发生化学反应的导体，一般地，阴极和阳极采用不锈钢、金、铂等不活泼金属材质。一般地，交流电极和直流电极设为平板结构，当生成物有固态物质时，直流电极可根据工况设置为立体结构。例如，直流电极的板面上设置有多个均匀排布的微型立柱，微型立柱内开设有孔，直流电的波形设置为直线，c原子在直流电极对上聚集生成c纳米管。例如，原料气使用ch4，直流电极为平面结构，直流电波形为脉冲波，c原子在直流电极上聚集生成符合厚度要求的石墨烯。又例如，原料气使用c02，直流电极为平面结构，直流电波形为脉冲波，c原子在直流电极上聚集生成符合厚度要求的石墨
烯。
[0077]
在步骤s3中，调节直流电的电压，可以控制生成物的速度。
[0078]
交流电极上开设有第一散热通道，直流电极上开设有第二散热通道，第一散热通道和第二散热通道内部循环流通有冷却液，从而将反应过程中产生的热量及时散出，确保系统稳定运行。第一散热通道和第二散热通道各自独立循环冷却时，冷却液可以采用水或其他冷却液体，但各冷却系统间应做好绝缘；当冷却液采用绝缘液体时(比如变压器油)，第一散热通道和第二散热通道可以共用一个循环冷却系统。下述实施例2采用的是各自独立循环冷却的方式进行冷却。
[0079]
以ch4气体为例，排出密封空间内的空气和杂质，向密封空间内充入ch4气体。交流电极对之间形成交变电场，在交变电场的加速下电子的能量增加，高能电子使ch4气体被等离子化,在这一过程中，发生的碰撞反应如下：
[0080]
ch
4*
→
ch3+h+e
[0081]
ch3+e
*
→
ch2+h+e
[0082]
ch2+e
*
→
ch+h+e
[0083]
ch4的c-h键被分解电离形成ch
4+
、ch
3+
、ch
2+
、ch
+
、c
+
、h
2+
、h
+
，形成低温等离子体。
[0084]
在直流电作用下，在阴极上沉积生成由c元素组成的石墨烯，在阳极上生成h2。整个反应过程如下所示：
[0085]
ch4→
2h2+c
[0086]
通过控制直流电的电压大小，可以控制阴极上沉积生成石墨烯或者金刚石薄膜。
[0087]
在阴极和阳极的距离为1mm,直流电压为2v的工况下，生成1kgh2的耗能大约为24度电。相比于现有技术，耗能低，具有极大的经济效益。
[0088]
且本方法无需加入催化剂即可实现电解，在电解过程中无需使用离子交换膜，简化了制备工艺流程。
[0089]
实施例2
[0090]
参照图2，为本发明公开的一种电解气态物质的装置，包括排空系统100、进气系统200、放电系统300和散热系统400。放电系统300包括密封空间310，密封空间310内设置交流电极对，交流电极对包括两个相互平行的交流电极320，两个交流电极320之间接通交流电。交流电极对之间设置有多组直流电极对，直流电极对包括两个相互平行的直流电极330，直流电极对和交流电极对相互垂直且互不接触，两个直流电极330之间接通直流电。交流电极320为三层结构，两个外表层为绝缘体321，中间层为导电体322，两个导电体322之间通过导线接通交流电。
[0091]
排空系统100包括真空管路110、真空泵120和真空计130，真空泵120通过真空管路110和密封空间310相连通，真空计130连接于真空管路110上，真空管路110和密封空间310的连接处设有第一电磁阀140。通过真空泵120将密封空间310抽真空,真空计130可以显示密封空间310的真空度,通过第一电磁阀140控制真空管路110的开闭。
[0092]
进气系统200包括进气管路210、进气泵220和流量计230，进气泵220通过进气管路210和密封空间310相连通，流量计230连接于进气管路210上，进气管路210和密封空间310的连接处设有第二电磁阀240。通过进气泵220向密封空间310内充入待电解的气态物质，流量计230可以监测实时流量，通过第二电磁阀240控制进气管路210的开闭。
[0093]
本实施例中所述散热系统采用的是各自独立循环冷却的方式进行冷却，下面结合图3和图4进行说明。散热系统400包括第一散热部和第二散热部，第一散热部包括相互连通的第一冷却泵410和第一冷却液箱420，交流电极320沿其宽度方向开设有多个第一散热通道430，第一散热通道430通过冷却管相互串联并与第一冷却泵410和第一冷却液箱420连通。在第一冷却泵410的作用下，冷却液从第一冷却液箱420经冷却管流经第一散热通道430，进行散热冷却。第二散热部包括相互连通的第二冷却泵440和第二冷却液箱450，直流电极330沿其长度方向开设有第二散热通道460，第二散热通道460通过冷却管相互串联并与第二冷却泵440和第二冷却液箱450连通。在第二冷却泵440的作用下，冷却液从第二冷却液箱450经冷却管流经第二散热通道460，带走反应过程产生的热量。
[0094]
参照图2，密封空间310开设有出气口311，出气口311处设置有第三电磁阀312，通过第三电磁阀312控制出气口311的开闭，从而将生成的气体从密封空间内排出。
[0095]
本实施例通过向密封空间充入气态物质，气态物质在交变电场和直流电弧的作用下被分解电离，形成低温等离子体，最后形成不同的单质。通过常温常压即可实现电解，降低了生产成本，具有极大的经济效益。
[0096]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。