一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电解制备氧气的方法，具体涉及一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法。
【背景技术】
[0002]随着人类社会的进步和科学技术的发展，科学家已经开始太空宇宙的探索活动。NASA对人类在未来50年征服宇宙的道路上进行了大胆而又科学的预测，预计到2025年将运行宇宙驿站，2030年将在月球上建工厂和地下宾馆。但是在月球表面没有空气的存在，更没有满足人们呼吸所需的氧气。人类将来要在月球上建设基地，甚至移居月球，面对的困难还很多，供我们呼吸的空气就是其中之一。因此，如何获得人类太空活动所需的氧气成为一个丞待解决的问题。目前，人类太空活动所需的氧气供应都必须从地球上携带上去，运输费用十分昂贵而且在飞行过程中存在很大的风险。为了解决人类太空活动所需要的氧气，最近，科学家正在着手研宄利用月球资源进行原位制造氧气，处理月岩就可以取得人类呼吸和火箭推进剂必不可少的氧气。中国专利CN101956203A，公开了一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法。中国专利CN103643259A，公开了一种从月壤月岩型混合氧化物提取金属并制备氧气的方法。在上述发明专利中，均是通过在碱金属卤化物高温熔盐中电解制备氧气，这些电解制备氧气方法存在反应温度高，设备腐蚀严重，能耗大，生产成本高等缺点。
[0003]从20世纪90年代开始，各种新型的室温离子液体不断被合成出来，离子液体因其具有较大的稳定温度范围、较好的化学稳定性、较宽的电化学电位窗及良好的离子导电性，近年来作为新型电解质得到了科研人员的广泛重视和深入研宄，在电沉积、电池、电容器等方面得到了一定的应用发展。利用低温离子液体代替高温熔盐作为电解质电解制备氧气，可有效的减少高温熔盐电解质对电解材料和设备的腐蚀，降低能耗和生产成本。研宄者通过采用自己设计合成的氟化咪唑([EMIm]F)室温离子液体(中国专利CN1103613547A，一种二取代氟化咪唑类离子液体的合成方法)作为熔盐电解质进行电解制备氧气，实验证明氟化咪唑离子液体是一种液态温度宽、电导率高、电化学窗口宽、蒸汽压极低的室温熔融盐新介质，用于电解制备氧气，有效的降低了电解温度，减轻了对电解设备的腐蚀，降低了能耗。
【发明内容】
[0004]针对高温熔盐电解制备氧气存在的温度高、能耗大、设备腐蚀严重、对环境不友好等问题，本发明提供了一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0006]一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法，包括以下步骤:
[0007]S1、以无水碳酸锂和氟化锂为原料，以[EMIm]F离子液体为电解质，按无水碳酸锂、氟化锂、[EMIm]F离子液体的摩尔配比0.1?0.9:0.01?0.05: I的比例将碳酸锂和氟化锂完全溶解在[EMIm]F离子液体中，配制[EMInJF-Li2CO3-LiF离子液体电解液；
[0008]S2、用石墨、玻碳或金属铜作为阴极，采用惰性电极作为阳极，接通直流电源进行电解，在阳极上析出氧气；
[0009]S3、收集通过阳极罩从氧气出口排出的阳极上产生的氧气。
[0010]优选的，所述惰性电极为镍、钛、铂或其它惰性金属电极。
[0011]优选的，所述步骤S2中电解过程反应温度控制在20?190°C ;阳极电流密度为I?250mA/cm2;极间距控制在10?60mm。
[0012]优选的，所述[EMIm]F离子液体采用氯化咪唑或溴化咪唑与氟化银合成的方法制得，使用前需要将离子液体在真空干燥箱里充分干燥。
[0013]本发明具有以下有益效果:
[0014]I)电解温度低，能耗低；
[0015]2)离子液体可以重复利用，对电极材料和电解设备腐蚀性小，对环境无污染，电解过程中无其它有害气体产生；
[0016]3)电解产物纯度高，电解得到氧气的体积纯度不低于99%。
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例中的实验装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]本发明实施例中所用的碳酸锂为市购工业产品，重量纯度彡99% ;所用的离子液体为中国专利CN103613547A公开的氟化咪唑离子液体。
[0020]如图1所示，本发明实施例中所用的实验装置包括玻璃杯1，所述玻璃杯I内填充有电解液2，所述电解液2内一侧设有阳极罩3，另一侧设有阴极4，所述阳极罩3内设有阳极5，所述阳极罩3上端连接有导气管6，所述导气管6与所述阳极罩3相通。
[0021]实施例1
[0022]配制[EMInJF-Li2CO3-LiF离子液体，其中 Li2CO3与[EMIm] F 的摩尔比为 0.5: 1，LiF与[EMIm]F的摩尔比为0.01: 1，以该离子液体为电解液进行直流电解，以镍为阳极，玻碳电极为阴极，高纯铝丝为参比电极，电解温度维持在90°C左右，极距20mm，电流密度为20mA/cm2，电解时间为2h，在阳极析出氧气，氧气通过阳极罩从氧气出口排出被收集，体积纯度99.5%。
[0023]实施例2
[0024]配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF 离子液体，其中 Li2CO3与[EMIm] F 的摩尔比为 0.1: 1，LiF与[EMIm]F的摩尔比为0.03: 1，以该离子液体为电解液进行直流电解，以镍为阳极，玻碳电极为阴极，高纯铝丝为参比电极，电解温度维持在100°C左右，极距35mm，电流密度为30mA/cm2，电解时间为2h，在阳极析出氧气，氧气通过阳极罩从氧气出口排出被收集，体积纯度99.1% ο
[0025]实施例3
[0026]配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF 离子液体，其中 Li2CO3与[EMIm] F 的摩尔比为 0.9: 1，LiF与[EMIm]F的摩尔比为0.05: 1，以该离子液体为电解液进行直流电解，以镍为阳极，玻碳电极为阴极，高纯铝丝为参比电极，电解温度维持在190°C左右，极距60mm，电流密度为250mA/Gm2，电解时间为2h，在阳极析出氧气，氧气通过阳极罩从氧气出口排出被收集，体积纯度99.6%。
[0027]本具体实施电解温度低，能耗低；离子液体可以重复利用，对电极材料和电解设备腐蚀性小，对环境无污染，电解过程中无其它有害气体产生；电解产物纯度高，电解得到氧气的体积纯度不低于99%。
[0028]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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、按无水碳酸锂、氟化锂、[EMIm]F离子液体的摩尔配比0.1?0.9: 0.01?0.05: I的比例将碳酸锂和氟化锂完全溶解在[EMIm]F离子液体中，配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF呙子液体电解液； 52、用石墨、玻碳或金属铜作为阴极，采用惰性电极作为阳极，接通直流电源进行电解，在阳极上析出氧气； 53、收集通过阳极罩从氧气出口排出的阳极上产生的氧气。
2.根据权利要求1所述的一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法，其特征在于，所述惰性电极为镍、钛、铂或其它惰性金属电极。
3.根据权利要求1所述的一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法，其特征在于，所述步骤S2中电解过程反应温度控制在20?190°C ;阳极电流密度为I?250mA/cm2;极间距控制在10?60mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法，其特征在于，所述[EMIm]F离子液体采用氯化咪唑或溴化咪唑与氟化银合成的方法制得，使用前需要将离子液体在真空干燥箱里充分干燥。
【专利摘要】本发明公开了一种利用离子液体低温电解制备氧气的方法，以无水碳酸锂和氟化锂为原料，以[EMIm]F离子液体为电解质，将碳酸锂和氟化锂完全溶解在电解质中，配制[EMIm]F-Li2CO3-LiF离子液体电解液，采用惰性电极作为阳极，接通直流电源进行电解在阳极上析出氧气；在阳极上产生的氧气通过阳极罩从氧气出口排出被收集。本发明电解温度低、能耗省、无污染和对设备腐蚀较轻，在将来人类探索太空前景广阔。
【IPC分类】C25B1-02
【公开号】CN104562068
【申请号】CN201410852840
【发明人】石忠宁, 李亮星, 刘爱民, 何文才, 关苹苹, 谢开钰, 胡宪伟, 徐君莉, 高炳亮, 王兆文
【申请人】东北大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月18日