一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電解制備氧氣的方法，具體涉及一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)開始太空宇宙的探索活動。NASA對人類在未來50年征服宇宙的道路上進(jìn)行了大膽而又科學(xué)的預(yù)測，預(yù)計到2025年將運(yùn)行宇宙驛站，2030年將在月球上建工廠和地下賓館。但是在月球表面沒有空氣的存在，更沒有滿足人們呼吸所需的氧氣。人類將來要在月球上建設(shè)基地，甚至移居月球，面對的困難還很多，供我們呼吸的空氣就是其中之一。因此，如何獲得人類太空活動所需的氧氣成為一個丞待解決的問題。目前，人類太空活動所需的氧氣供應(yīng)都必須從地球上攜帶上去，運(yùn)輸費(fèi)用十分昂貴而且在飛行過程中存在很大的風(fēng)險。為了解決人類太空活動所需要的氧氣，最近，科學(xué)家正在著手研宄利用月球資源進(jìn)行原位制造氧氣，處理月巖就可以取得人類呼吸和火箭推進(jìn)劑必不可少的氧氣。中國專利CN101956203A，公開了一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法。中國專利CN103643259A，公開了一種從月壤月巖型混合氧化物提取金屬并制備氧氣的方法。在上述發(fā)明專利中，均是通過在堿金屬鹵化物高溫熔鹽中電解制備氧氣，這些電解制備氧氣方法存在反應(yīng)溫度高，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，能耗大，生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。
[0003]從20世紀(jì)90年代開始，各種新型的室溫離子液體不斷被合成出來，離子液體因其具有較大的穩(wěn)定溫度范圍、較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較寬的電化學(xué)電位窗及良好的離子導(dǎo)電性，近年來作為新型電解質(zhì)得到了科研人員的廣泛重視和深入研宄，在電沉積、電池、電容器等方面得到了一定的應(yīng)用發(fā)展。利用低溫離子液體代替高溫熔鹽作為電解質(zhì)電解制備氧氣，可有效的減少高溫熔鹽電解質(zhì)對電解材料和設(shè)備的腐蝕，降低能耗和生產(chǎn)成本。研宄者通過采用自己設(shè)計合成的氟化咪唑([EMIm]F)室溫離子液體(中國專利CN1103613547A，一種二取代氟化咪唑類離子液體的合成方法)作為熔鹽電解質(zhì)進(jìn)行電解制備氧氣，實(shí)驗(yàn)證明氟化咪唑離子液體是一種液態(tài)溫度寬、電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬、蒸汽壓極低的室溫熔融鹽新介質(zhì)，用于電解制備氧氣，有效的降低了電解溫度，減輕了對電解設(shè)備的腐蝕，降低了能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對高溫熔鹽電解制備氧氣存在的溫度高、能耗大、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、對環(huán)境不友好等問題，本發(fā)明提供了一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法，包括以下步驟:
[0007]S1、以無水碳酸鋰和氟化鋰為原料，以[EMIm]F離子液體為電解質(zhì)，按無水碳酸鋰、氟化鋰、[EMIm]F離子液體的摩爾配比0.1?0.9:0.01?0.05: I的比例將碳酸鋰和氟化鋰完全溶解在[EMIm]F離子液體中，配制[EMInJF-Li2CO3-LiF離子液體電解液；
[0008]S2、用石墨、玻碳或金屬銅作為陰極，采用惰性電極作為陽極，接通直流電源進(jìn)行電解，在陽極上析出氧氣；
[0009]S3、收集通過陽極罩從氧氣出口排出的陽極上產(chǎn)生的氧氣。
[0010]優(yōu)選的，所述惰性電極為鎳、鈦、鉑或其它惰性金屬電極。
[0011]優(yōu)選的，所述步驟S2中電解過程反應(yīng)溫度控制在20?190°C ;陽極電流密度為I?250mA/cm2;極間距控制在10?60mm。
[0012]優(yōu)選的，所述[EMIm]F離子液體采用氯化咪唑或溴化咪唑與氟化銀合成的方法制得，使用前需要將離子液體在真空干燥箱里充分干燥。
[0013]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014]I)電解溫度低，能耗低；
[0015]2)離子液體可以重復(fù)利用，對電極材料和電解設(shè)備腐蝕性小，對環(huán)境無污染，電解過程中無其它有害氣體產(chǎn)生；
[0016]3)電解產(chǎn)物純度高，電解得到氧氣的體積純度不低于99%。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例中所用的碳酸鋰為市購工業(yè)產(chǎn)品，重量純度彡99% ;所用的離子液體為中國專利CN103613547A公開的氟化咪唑離子液體。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中所用的實(shí)驗(yàn)裝置包括玻璃杯1，所述玻璃杯I內(nèi)填充有電解液2，所述電解液2內(nèi)一側(cè)設(shè)有陽極罩3，另一側(cè)設(shè)有陰極4，所述陽極罩3內(nèi)設(shè)有陽極5，所述陽極罩3上端連接有導(dǎo)氣管6，所述導(dǎo)氣管6與所述陽極罩3相通。
[0021]實(shí)施例1
[0022]配制[EMInJF-Li2CO3-LiF離子液體，其中 Li2CO3與[EMIm] F 的摩爾比為 0.5: 1，LiF與[EMIm]F的摩爾比為0.01: 1，以該離子液體為電解液進(jìn)行直流電解，以鎳為陽極，玻碳電極為陰極，高純鋁絲為參比電極，電解溫度維持在90°C左右，極距20mm，電流密度為20mA/cm2，電解時間為2h，在陽極析出氧氣，氧氣通過陽極罩從氧氣出口排出被收集，體積純度99.5%。
[0023]實(shí)施例2
[0024]配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF 離子液體，其中 Li2CO3與[EMIm] F 的摩爾比為 0.1: 1，LiF與[EMIm]F的摩爾比為0.03: 1，以該離子液體為電解液進(jìn)行直流電解，以鎳為陽極，玻碳電極為陰極，高純鋁絲為參比電極，電解溫度維持在100°C左右，極距35mm，電流密度為30mA/cm2，電解時間為2h，在陽極析出氧氣，氧氣通過陽極罩從氧氣出口排出被收集，體積純度99.1% ο
[0025]實(shí)施例3
[0026]配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF 離子液體，其中 Li2CO3與[EMIm] F 的摩爾比為 0.9: 1，LiF與[EMIm]F的摩爾比為0.05: 1，以該離子液體為電解液進(jìn)行直流電解，以鎳為陽極，玻碳電極為陰極，高純鋁絲為參比電極，電解溫度維持在190°C左右，極距60mm，電流密度為250mA/Gm2，電解時間為2h，在陽極析出氧氣，氧氣通過陽極罩從氧氣出口排出被收集，體積純度99.6%。
[0027]本具體實(shí)施電解溫度低，能耗低；離子液體可以重復(fù)利用，對電極材料和電解設(shè)備腐蝕性小，對環(huán)境無污染，電解過程中無其它有害氣體產(chǎn)生；電解產(chǎn)物純度高，電解得到氧氣的體積純度不低于99%。
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、按無水碳酸鋰、氟化鋰、[EMIm]F離子液體的摩爾配比0.1?0.9: 0.01?0.05: I的比例將碳酸鋰和氟化鋰完全溶解在[EMIm]F離子液體中，配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF咼子液體電解液； 52、用石墨、玻碳或金屬銅作為陰極，采用惰性電極作為陽極，接通直流電源進(jìn)行電解，在陽極上析出氧氣； 53、收集通過陽極罩從氧氣出口排出的陽極上產(chǎn)生的氧氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法，其特征在于，所述惰性電極為鎳、鈦、鉑或其它惰性金屬電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法，其特征在于，所述步驟S2中電解過程反應(yīng)溫度控制在20?190°C ;陽極電流密度為I?250mA/cm2;極間距控制在10?60mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法，其特征在于，所述[EMIm]F離子液體采用氯化咪唑或溴化咪唑與氟化銀合成的方法制得，使用前需要將離子液體在真空干燥箱里充分干燥。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用離子液體低溫電解制備氧氣的方法，以無水碳酸鋰和氟化鋰為原料，以[EMIm]F離子液體為電解質(zhì)，將碳酸鋰和氟化鋰完全溶解在電解質(zhì)中，配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF離子液體電解液，采用惰性電極作為陽極，接通直流電源進(jìn)行電解在陽極上析出氧氣；在陽極上產(chǎn)生的氧氣通過陽極罩從氧氣出口排出被收集。本發(fā)明電解溫度低、能耗省、無污染和對設(shè)備腐蝕較輕，在將來人類探索太空前景廣闊。
【IPC分類】C25B1-02
【公開號】CN104562068
【申請?zhí)枴緾N201410852840
【發(fā)明人】石忠寧, 李亮星, 劉愛民, 何文才, 關(guān)蘋蘋, 謝開鈺, 胡憲偉, 徐君莉, 高炳亮, 王兆文
【申請人】東北大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月18日