一种用于电解制备硼氢化物的装置 【技术领域】
本发明涉及一种电解装置，具体地说是一种用于电解制备硼氢化物的装置——三电解槽系统，属于能源材料、燃料电池氢源领域。
背景技术
氢能经济是人类社会为缓解资源和环境问题提出的一种能源发展方向，这项发展的核心内容是以氢气替代现有化石燃料(煤、石油)作为清洁、绿色、便于携带输运的燃料。而以氢为燃料的燃料电池则是高效、清洁的一种发电装置，并逐渐成为便携式电子产品和电动汽车的理想配套电源。目前，限制燃料电池发展和应用的主要问题是氢的储存，而现采用的储氢方式，储氢量都较低，如高压氢瓶(1％)、贮氢合金(1.5～3％)等。硼氢化物是一种高储氢含量地材料，如LiBH4(36.8％)、Na BH4(21.2％)、K BH4(14.8％)，不仅如此，这些化合物既能催化水解释放氢气作为高容量、高纯氢源材料，又可直接通过电化学方式作为高容量负极材料。
硼氢化物催化水解反应：
硼氢化物直接电化学氧化反应： E0＝-12.4V
正因为如此，近来，美国Millennium Cell公司正在开发以碱金属硼氢化物为直接燃料的新型燃料电池。他们指出通过硼氢化物直接电化学反应，可提供更高能量密度(如NaBH4理论容量为5673mAh/g)和简单的电池装置。
目前，工业上制备硼氢化物主要沿用传统的Schlesinger法和Bayer法。这两种合成路线制备1mol NaBH4均要消耗4mol金属钠制备所用的金属钠采用高温电解生产的，因此制备NaBH4的成本高，产量小。考虑硼氢化物的水解和放电产物均为BO2-，如果能用电化学方法实现BO2-回收和循环制备BH4-，这是硼氢化物成本大幅度下降的诱人途径，并将硼氢化物的应用开拓广阔的市场。
Cooper(US3437842)，Hale(US4931154)中曾报道电解法制备硼氢化物，但由于使用贵金属催化剂，使得电流效率低(＜20％)。同时传统电解制硼氢化物的电解装置均采用两槽结构，即基本的阴极室和阳极室，而这种单一的阴极室对于电解制硼氢化物来说，不利于反应物与电极内部的接触和形成适合反应的电场环境，因而电流效率低。我们认为采用电解法制备硼氢化物，其核心技术是不仅在于提供廉价、低释氢、高催化活性的催化剂，更重要的是建立结构合理的电解装置。
【发明内容】
为了克服以往电解装置电流效率低的缺点，本发明提出一种新型的用于电解制备硼氢化物的装置——三电解槽系统，从而实现偏硼酸盐高效电化学还原成硼氢化物。
具体技术方案如下：一种用于电解制备硼氢化物的装置——三电解槽系统，其结构示意图如图1所示。电解制备硼氢化物的电解槽分成三个相互隔离的室：即阳极室、阴极A室和阴极B室。阳极室与阴极A室采用阳离子交换膜隔开，而阴极A室与阴极B室采用多孔阴极隔开。阳极室的底部设有阳极进液管，上部设有阳极出液管和出气管，阴极A室和阴极B室都分别设有阴极进液管，上部也都分别设有阴极出液管，阳极置于阳极室的电解槽内壁并与阳离子交换膜相对。
该电解槽系统阳极采用钌钛氧化物、氧化铅、镍、铂或石墨，或者是其中任意两种的混合物；多孔阴极采用储氢合金、碳材料、金属硼化物、镍或铁，或者是其中任意两种的混合物；阳离子交换膜为全氟磺酸膜、磺化苯基咪唑膜或阳离子交换树脂。
阳极室中盛有1～8mol/L的碱液(KOH、NaOH、LiOH)或酸液(HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4)，而阴极A室中盛有0.1～6mol/L的碱液(KOH、NaOH、LiOH)，阴极B室盛有0.1～4mol/L的偏硼酸盐或与0.1～6mol/L的碱液(KOH、NaOH、LiOH)的混合物。
电解制硼氢化物的工作原理是：外电流通过阳极，产生阳极极化，产生氧气，而通过阴极时发生阴极极化，阴极B室中的偏硼酸根通过阴极向阴极A室迁移的过程中发生还原反应，生成硼氢根。
由于阴极A室与阴极B室的溶液被阴极隔开，两室溶液互不串通，但可通过多孔阴极进行物质交换。
工作时，碱液或酸液从阳极进液管流入阳极室，并在阳极表面发生氧化反应，生成氧气，氧气从阳极室的上部排出。偏硼酸盐溶液或与碱液的混合物通过阴极B室进液管流入，偏硼酸盐穿过阴极，同时发生电化学还原反应，生成相应的硼氢化物，并扩散到阴极A室和阴极B室，而含硼氢化物的溶液经阴极A室出液管和阴极B室出液管流出。
本发明的装置适用的偏硼酸盐包括偏硼酸的钾盐、钠盐或锂盐，其浓度为0.1～4mol/L。
本发明电解温度范围为10～80℃，电流密度为10～500mA/cm2，电流效率大于50％。
本发明的优点在于电解装置采用与传统两电解槽所不同的三电解槽系统，这种结构更有利于增大反应物与电极内部的接触面积，通畅产物的扩散通道，同时多孔阴极内部不同的电场环境提供了还原反应所需的必要条件，因此与传统电解槽结构相比，具有更高的电流效率。
本发明的装置为制备硼氢化物提供了一种更为经济可行的途径，同时为燃料电池的发展提供了一种更廉价的氢源材料，因此具有重要应用前景。
【附图说明】
图1是本发明的用于电解制备硼氢化物的装置的结构示意图。
图中：1—电解槽，2—阳极室，3—阴极A室，4—阴极B室，5—阳极，6—阳离子交换膜，7—多孔阴极，8—阳极进液管，9—阴极A室进液管，10—阴极A室出液管，11—阴极B室进液管11，12—阴极B室出液管 13—阳极出液管，14—阳极出气管。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的结构装置进一步说明。
本发明电解制硼氢化物装置示意图如图1所示。电解制硼氢化物的电解槽1包括相互隔离的三个室：阳极室2、阴极A室3和阴极B室4。阳极室2与阴极A室3采用阳离子交换膜6隔开，而阴极A室3与阴极B室4采用多孔阴极7隔开。碱液或酸液从阳极进液管8流入阳极室2，并在阳极5表面发生氧化反应，生成氧气，氧气从阳极室上部的阳极出气管14排出。偏硼酸盐溶液或与碱液的混合物通过阴极B室4进液管11流入，偏硼酸盐穿过阴极7，同时发生电化学还原反应，生成相应的硼氢化物，并扩散到阴极A室3和阴极B室4，而含硼氢化物的溶液经阴极A室出液管10和阴极B室出液管12流出。
实施例1：选择镍片为阳极，多孔储氢合金电极为阴极，阳极室溶液为2mol/L的NaOH溶液，阴极A室为0.5mol/L的NaOH溶液，阴极B室为0.5mol/L的NaBO2溶液，电解温度为25℃，电流密度为25mA/cm2，电解1小时，电流效率达到50％。
实施例2：选择镍片为阳极，多孔储氢合金电极为阴极，阳极室溶液为2mol/L的NaOH溶液，阴极A室为0.5mol/L的NaOH溶液，阴极B室溶液为0.5mol/L的NaBO2溶液和2mol/L的NaOH溶液的混合液，电解温度为25℃，电流密度为25mA/cm2，电解1小时，电流效率达到50％。