利用碳納米管產生氫氧氣體的電極板及其製造方法
2023-06-07 21:40:16 1
專利名稱：利用碳納米管產生氫氧氣體的電極板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及 一 種電極板及其製造方法，該電極板利用碳納米管制 成，並用來有效地用水而產生氫氧氣體。
背景技術：
一般而言，氫氧氣體發生器是使水電解並產生氫氣和氧氣的裝 置，其內部安裝有電極板，該電極板用來電解水而產生無公害能源
資源，即產生氫氧氣。此時氫氣和氧氣按2: l的摩爾百分比生成， 負電極表面產生氣泡狀的氫氣，而正電極表面產生氣泡狀的氧氣。 該用來電解水的電極板通常使用不鏽鋼製成，或是在不鏽鋼表面上 進行鉑鍍層。由此生成的氫氣和氧氣，經混合後成為可以燃燒的混 合氣體。而且氫氧氣在燃燒時不會產生汙染物，其作為環保型能源 資源而受到廣泛關注。
但所述由不鏽鋼或是在不鏽鋼表面進行鉑鍍層而製成的電極板， 由於相對於所施加的電能而言，生成的氫氧氣的量過少，所以，不 得不在所生成的氫氧氣中混合丙烷氣等輔助燃料，從而導致其經濟 性下降。
而且，在電解過程中，由於電極板表面的緩慢分解溶化，所以， 經過數百小時後還需更換該電極板。
發明內容
本發明目的在於解決上述背景技術中的技術問題，提供一種電極 板及其製造方法，該電極板利用碳納米管制成，並用來產生氫氧氣 體，相對於所投入的電能而言，可加大所產生的氫氧氣的量，進而確保其經濟性。本發明的另一目的，在於提供一種可以應用於不同規格氫氧氣體 發生器的電極板及其製造方法，該電極板利用碳納米管制成，並用 來產生氫氧氣體，而且可以製成多種形狀。本發明的第三個目的，在於提供一種長時間電解也不會分解的電 極板及其製造方法，該電極板利用碳納米管制成，並用來產生氫氧 氣體，而且無需更換電極板。因此，本發明的電極板利用碳納米管制成，並用來產生氫氧氣體，其使水電解而產生氫氧氣體，包括碳納米管(CNT)、碳C、氧化鎳 (NiO)、脫羧基鈉複合物(NaTa03)和催化劑。本發明以質量比中碳為100作為基準時，所述碳納米管佔2-15 質量比、氧化鎳佔80-360質量比、脫羧基鈉複合物佔20-130質量比、 催化劑佔10-200質量比。本發明中所述催化劑由鑭(La)、納米級託瑪琳光催化劑和鉑(Pt) 中任何一項以上的組分組成。本發明的電極板及其製造方法，該電極才反利用碳納米管制成，並 用來產生氫氧氣體，其使水電解而產生氫氧氣體，包括Sl:攪拌 混合物步驟，通過均勻攪拌碳納米管、碳粉、氧化鎳粉以及催化劑 而形成高分散度的攪拌混合物；S2:加壓成型步驟，將攪拌混合物 投入模具並加壓成型為壓製成型物；S3:燒成步驟，將壓製成型物 在真空燒成爐中燒成。在本發明的步驟S2中，所述攪拌混合物上施加500-1500T/cnf的壓力而製成壓製成型物。在本發明的步驟S3中，所述壓製成型物在600-2000°C、 20_400 分鐘的條件下燒成。此時，步驟S3中的燒成加工在阻斷氧氣流入的 真空燒成爐內進行。本發明中所述催化劑由鑭(La)、納米級託瑪琳光催化劑和鉑(Pt) 中任何一項以上的組分組成。本發明以質量比中碳為100作為基準時，所述碳納米管佔2-15質量比、氧化4臬佔80-360質量比、脫羧基鈉複合物佔20-130質量比、 催化劑佔10-200質量比。根據本發明的電極板及其製造方法，該電極板利用碳納米管制 成，並用來產生氫氧氣體，相對於所投入的電能而言，可以加大所 產生的氫氧氣的量，即使不添加丙烷氣等輔助燃料也能夠燃燒，從 而可以確保其經濟性。由於進一步通過壓制及燒成步驟，可改變其形狀，因此，根據使 用用途及容量，可以製成多種不同形狀的電極板。而且，根據本發明所製造的電極板，在電解過程中其電極板表面 不會分解，與現有電極板相比，本發明的電極板的使用壽命可以延 長，即便使用數千小時也無需更換。
具體實施方式
下面，詳細說明本發明的電極板及其製造方法，該電極板利用碳 納米管制成，並用來產生氫氧氣體。本發明的電極板使水電解而產生氫氣和氧氣，該電極板利用碳納 米管制成，並用來產生氫氧氣體，此時，相對於所投入的電能而言， 為了進一步加大氫氣和氧氣的產生量，本發明的用來產生氫氧氣的 電極板，包括碳納米管(CNT)、碳(C)、氧化鎳(NiO)、脫羧基鈉復 合物(NaTa03)、以及促進電解的催化劑。此時，催化劑由鑭(La)、 和納米級託瑪琳光催化劑、和鉑(Pt)組成，該組合物中包括所選任何 一項以上的組分，其優選呈粉末狀。所述組合物的組成比例，以質量比中> 友為100作為基準來進行"i兌明。以質量比中碳為100作為基準時，碳納米管組成比例佔2-15質量 比，優選佔3-10質量比。如果碳納米管的組成比例低於0.5質量比， 則因導電性相對較低的碳，導致所製造的電極板的表面導電率降低； 如果碳納米管的組成比例大於60質量比，則無法保證其分散效果， 因為碳納米管本身的混合性較低，從而導致所製造的電極板密度及6強度減小。而且，為了提高與其它組合物粉末的分散力，碳納米管優選具有0.005-10 //m粒度和20-100 nm大小。與此同時，本發明使用的碳納米 管在單壁管、多壁管、碳納米纖維中至少包括其中之一。碳納米管是一個碳元素與其它碳元素原子以六角形蜂巢狀結合 而形成管狀的物質，其各向異性很大，具有單壁管、多壁管等多種 形態，其為管徑在納米(閱=10億分之1米)級的極小領域的物質。與 活性碳或石墨、鑽石等其它碳基物質不同，碳納米管具有導電性極 好、電場發射特性良好的特點。這一特點因其碳元素電子結構不同 所致。即導電性良好的石墨中，碳元素具有sp2結合結構，而絕緣 體鑽石則具有sp3結合結構。相對於其體積而言，碳納米管呈具有 高出其體積數值的1000倍以上的表面積的多孔性狀態，在應用電化 學裝置上，提供給氧化還原反應的表面積極大，因而可大幅加大總 反應量。碳(C)作為結合碳納米管和其它組合物的結合體來使用，即碳用於 結合本身結合性很小的碳納米管和其它組合物粉末。此時，碳粒度 優選在0.5-200 //m範圍內。在經燒成步驟而製造電極板時，氧化鎳(NiO)熔融後與其它組合 物熔合，因而增強電極板的強度。以質量比中碳為100作為基準時， 這類氧化鎳的組成比例佔80-360質量比，優選佔120-240質量比。 如果氧化鎳的組成比例低於80質量比，則導致所製造的電極板的強 度不足而易破碎，如果高於360質量比，則氫氣的產生效率降低。添加脫羧基鈉複合物(NaTa03)的目的在於加大所製造的電極板 的氫氣產生量。以質量比中碳為IOO作為基準時，脫羧基鈉複合物 的組成比例佔20-130質量比，優選佔33-100質量比。如果脫羧基鈉 複合物的組成比例低於20質量比，電極板的氫氣產生量會變小，如 果大於130質量比，則會導致電極板強度降低。以質量比中碳為IOO作為基準時，催化劑佔10-200質量比。作為 催化劑，在包括納米級託瑪琳光催化劑、鑭和鉑等所有物質時，各自糹且成比侈J:fe口下即以質量比中碳為100作為基準時，納米級託瑪琳光催化劑的組成 比例佔10-75質量比，優選佔16-50質量比。納米級託瑪琳光催化劑是把託瑪琳粉碎成幾微米到幾納米單位 大小的粉末後，再經1300。C溫度燒成而製成的。託瑪琳具有與水晶 相同的結晶結構，其屬於六方晶系礦物，因摩擦而產生電，並且會 產生大量負離子，從而會進一步促進水的電解，因而使得氫氣及氧 氣的生成量加大。這種託瑪琳經製成粉末再經燒成後，可成為擴大 與水接觸面積的、形成具有無數微細氣孔的光催化劑，在板材上粘 貼託瑪琳光催化劑後，可以進一步促進水的電解。使用鑭的目的是為了電極板更有效地使水電解，從而提高氫氣的 產生量，以質量比中碳為IOO作為基準時，該鑭的組成比例佔5-100 質量比，優選佔15-60質量比。鉑可以使所製造的電極板更有效地分解水。以質量比中碳為100 作為基準時，該鉑的組成比例佔3-20質量比，優選佔5-15質量比。下面講述本發明的用來產生氫氧氣體的電極板的製造方法。為了製造利用碳納米管制成的用來產生氫氧氣體的電極板，首先 要完成步驟S1，其為通過均勻攪拌碳納米管(CNT)、碳粉(C)、氧 化鎳粉(NiO)以及促進電解的催化劑粉劑,從而形成高分散度的攪拌 混合物。此時，所述由鑭(La)、納米級託瑪琳光催化劑和鉑(Pt)組成 的組合物中，要包括所選任何一項以上的組分。所述組合物應均勻、 並具有較高的分散度，為此，採用已知的超臨界流體法或反膠束法 完成步驟Sl。之後，將攪拌混合物投入模具中，再施加500-1500T/W的壓力， 完成加壓成型步驟S2，此時會形成壓製成型物。上述粉末狀壓製成 型物經加壓成型步驟後呈堅固的固體狀。此時，在模具中，通過採用特定形狀的成型槽而製成多種形狀的 電極板。例如其為複雜的幾何形、或邊緣突出或凹陷而形成多個槽 的形狀。中在600-2000 °C、 20-400分鐘的條件下進行燒成。此時，為了徹底阻斷氧氣的流入， 必須使用真空燒成爐來燒成壓製成型物，如果有氧氣流入，燒成步驟 中因產生氧化反應，從而降低電極板的氫氧氣體發生效率。通過上述燒成步驟，氧化鎳熔融後會把碳、碳納米管和催化劑結 合成堅固的組合體。下面，通過實施例進一步具體說明本發明。該實施例僅僅是為了 例示本發明，並不代表本發明的技術方案就局限於此。 首先，用攪拌機攪拌碳納米管、碳粉、氧化鎳粉、脫羧基鈉複合 物粉劑、鑭、鉑粉末，並進行混合而形成攪拌混合物。此時，為形成 所述攪拌混合物，混合碳30g、碳納米管2g、氧化鎳20g、納米級託 瑪琳光催化劑10g、鑭15g、鈾3g,之後再以高分散度的方式攪拌而 形成攪拌混合物。接著，將攪拌混合物投入板材狀有孔模具上，再施 以1000T/cnf的壓力而製成壓製成型物。再^巴壓製成型物》文在真空燒成 爐中，在170(TC溫度的條件下燒成400分鐘，最終製成電極板。根據所述實施例製造的電極板，其表面形成有微米級的多個孔， 並且以高密度的方式形成有微細脈紋和槽溝。即電極板上形成微米級 脈紋和槽溝，其用來增加與水接觸的表面積。例如，水在槽溝部分氧 化產生氧氣，同時還產生氫離子，氫離子則聚集在脈紋頂部並由催化 劑來促進氫離子產生還原反應，從而會產生大量氫氧混合氣體。 準備一個通常用於使水電解的不鏽鋼電極板，經對比後記錄了其 數據。項目實施例對比例(不鏽鋼)電極板(長x寬x厚)15cmxl5cmxlcm15cmxl5cmxlcm消耗功率(w)300W23000W單位時間內氫氣和氧氣 的總發生量(L)58000L/h6000 L/h上表中對比結果表明，通過比較，根據本發明實施例製造的電極板與對比例中所使用的電極板，相對於所投入的電能而言，前者可 以產生更多的氫氣和氧氣。綜上所述，本發明以上述的一個實施例作參考進行了說明，但在 不超越發明要旨與範圍的情況下，凡具有本發明技術領域通常知識 的人員均能了解到本發明可進行多種修改或變形，這些修改或變形 均在本發明範圍內。
權利要求
1.一種電極板，其使水電解而產生氫氧氣體，其特徵在於該電極板利用碳納米管而製成，並用來產生氫氧氣體，包括碳納米管(CNT)、碳(C)、氧化鎳(NiO)、脫羧基鈉複合物(NaTaO3)和催化劑。
2. 根據權利要求1所述的電極板，其特徵在於以質量比中碳 為100作為基準時，所述碳納米管佔2-15質量比、所述氧化鎳佔80-360 質量比、所述脫羧基鈉複合物佔20-130質量比、所述催化劑佔10-200 質量比。
3. 根據權利要求1所述的電極板，其特徵在於所述催化劑由 鑭(La)、納米級託瑪琳光催化劑和鉑(Pt)中任何一項以上的組分組成。
4. 一種電極板的製造方法，該電極板使水電解並產生氫氧氣體， 其特徵在於，該電極板的製造方法包括Sl:攪拌混合物的步驟，通 過均勻攪拌碳納米管、碳粉、氧化鎳粉以及催化劑而形成高分散度的 攪拌混合物；S2:加壓成型步驟，將攪拌混合物投入模具並加壓成型 為壓製成型物；S3:燒成步驟，在真空燒成爐中燒成所述壓製成型物。
5. 根據權利要求4所述的電極板的製造方法，其特徵在於在 步驟S2中，所述壓製成型物上施加500-1500T/cirf的壓力。
6. 根據權利要求4所述的電極板的製造方法，其特徵在於在 步驟S3中，所述壓製成型物在600-2000°C、 20-400分鐘的條件下燒 成。
7. 根據權利要求6所述的電極板的製造方法，其特徵在於燒 成加工在阻斷氧氣流入的真空燒成爐內進行。
8. 根據權利要求4所述的電極板的製造方法，其特徵在於所 述催化劑由鑭(La)、納米級託瑪琳光催化劑、鉑(Pt)中任何一項以上的 組分組成。
9. 根據權利要求4所述的電極板的製造方法，其特徵在於以 質量比中碳為100作為基準時，所述碳納米管佔2-15質量比、所述氧化鎳佔80-360質量比、所述脫羧基鈉複合物佔20-130質量比、所 述催化劑佔10-200質量比。
全文摘要
本發明提供一種電極板及其製造方法。該電極板利用碳納米管制成，並用來產生氫氧氣體，其包括碳納米管(CNT)、碳(C)、氧化鎳(NiO)、脫羧基鈉複合物(NaTaO3)和催化劑。而且，用來產生氫氧氣體的電極板的製造方法包括S1攪拌混合物的步驟，通過均勻攪拌碳納米管、碳粉、氧化鎳粉以及催化劑而形成高分散度的攪拌混合物；S2加壓成型步驟，將攪拌混合物投入模具並加壓成型為壓製成型物；S3燒成步驟，在真空燒成爐中燒成壓製成型物。
文檔編號C25B11/04GK101654791SQ200910160670
公開日2010年2月24日 申請日期2009年7月29日 優先權日2008年8月21日
發明者黃富成 申請人:黃富成