电池电极反应的新应用：分步法电解制氢气

可再生能源与电解水制氢技术的结合是实现可持续制氢的最佳途径. 然而,传统电解水技术中解决氢-氧同时、同步、同地产生的问题必须依赖于膜分离技术,大幅限制了氢-氧分离和氢气异地运输的灵活性,并阻碍了可再生能源(如风能、太阳能)与电解水技术的直接结合. 针对上述问题,作者课题组在近期提出了基于电池电极反应的分步法电解水制氢技术,即通过电池电极的可逆电化学反应将现有电解水过程拆分为制氢和制氧分立步骤,实现在无膜条件下氢气和氧气的分时、分地交替制备,提升了电解水制氢的灵活性,促进了可再生能源向氢能的直接转化. 本文将介绍这一新技术的研究进展,并分析这一技术的优点和面临的挑战.     

甲醇水蒸汽重整微反应器性能研究

燃料电池具有工作效率高、无污染物排放等优点,因此,燃料电池技术的研究和开发受到各国政府和大公司的重视.燃料电池的最佳原料为氢,自从燃料电池诞生起,供氢与燃料电池本身都是同样重要的核心技术[1].甲醇水蒸汽重整制氢是近年来发展较快的制氢方法,具有操作方便、原料易得、反应条件温和、副产物少等优点,而且装置规模大小均宜,并可做成便携式来满足不同用户对氢源的要求[2].本文采用制氢微反应器进行甲醇水蒸汽重整实验,研究了反应温度、进料速度、水醇比和反应时间对甲醇转化率、CO2选择性等的影响.     

电解水金属单原子催化剂的研究进展

氢能因其能量密度高、清洁无污染等特点,作为替代化石燃料的能源载体得到了广泛的研究.如何清洁高效地制备氢气受到了大量研究者的关注.当前,以化石能源的热反应所得副产氢气是主要来源.然而,采用该类方法不仅不能摆脱化石能源的使用以及温室气体的排放,还会造成生产氢气的纯度不高,碳氧化物杂质浓度过高的问题,严重影响氢气的后续使用.采用可再生能源(太阳能、风能等)所产富余电,进行电解水制氢,产生的氢气不含碳氧化合物杂质,纯度很高,可以真正实现碳的零排放,被认为是未来氢气来源的重要方式.目前,电解水制氢在制氢市场的所占份额较小,而造成这样局面的主要因素是该过程中的高能耗问题.为了降低能耗,开发高效催化剂加速两个电极上的电解反应的动力学尤为重要.近年,金属单原子催化剂(SACs)因其独特的结构,在很多研究中被用作电解水催化剂,进而开发出大量高性能的金属单原子电解水催化剂.本文综述了近年SACs在电解水催化方面的应用.首先,针对电解水反应本身,总结了阴阳极两侧的电极反应机制以及影响电极催化性能的关键吸附中间物种;然后,根据载体的不同,即合金、碳以及其它化合物将SACs分为三类,总结了相关电解水催化研究现状,并且针对不同类型SACs目前的发展情况,提出了它们各自存在的问题.其次,进一步总结了影响SACs电解水催化活性的因素,提出了四种决定SACs催化性能的影响因子,分别为金属原子的固有元素性质、配位环境、几何结构和负载量;同时讨论了这四类影响因素对SACs催化活性的影响机制,总结了调控各类影响因素的方法,为SACs的设计提出了一些建议.最后,展望了SACs在电解水催化中的应用,探讨了SACs在催化剂设计及催化机制研究方面的问题,提出了SACs在电解水催化中的未来发展方向.     

等离子体法制氢的研究进展

本文讨论了利用等离子体从各种含氢原料中制氢所表现出的特异性能.当使用天然气为原料大规模制氢时,等离子体法的高能量密度可以极大地减少催化剂的使用和缩小生产空间;当用其他碳氢化合物为原料制氢时,等离子体法可以提高系统的灵活性、多变性,尤其在车载制氢上.等离子体发生源的多样性和等离子体转换器宽裕的设计空间可为降低能耗提供坚实的发展基础.     

用于高效电催化甘油氧化的CuCoN0.6/CP催化剂(英文)

随着人口的不断增长和经济的高速发展,化石燃料(煤、石油和天然气等)的使用量急剧增加,能源短缺、温室效应、环境污染等问题日益严重.因此,发展可再生的清洁能源以取代化石燃料对人类社会的可持续发展至关重.由于氢气具有能量密度高、来源丰富、清洁无毒等优点,有望成为替代化石燃料的最有前景的可再生能源.然而,目前氢气主要来自化石燃料的蒸汽重整,该过程需要高温高压,而且产生的氢气杂质含量高、纯化过程复杂,不能满足绿色化学生产的要求.利用可再生电力电解水制氢是一种绿色高效的制氢方式,但其实际应用受限于动力学过程缓慢的阳极析氧反应(OER).因此,采用动力学过程更快的有机小分子(甲醇、乙二醇、甘油等)氧化反应来替代OER,不仅可以降低制氢能耗,还能在制氢的同时获得高附加值氧化产物.本文采用水热结合高温焙烧法制备了负载于导电碳纸上CuCoN_0.6(CuCoN_0.6/CP)纳米线催化剂.采用扫描电子显微镜与透射电子显微镜等对催化剂形貌进行表征.结果表明,表面粗糙的CuCoN_0.6纳米线组成的纳米小球与碳纸紧密结合.X射线光电子能谱结果表明,C...     

过渡金属磷化物纳米材料催化尿素电解制氢研究进展

电解水制氢技术操作简单、产物纯度高,是一种前景广阔的绿色制氢方式.然而,阳极析氧反应(OER)具有较高的热力学电势和缓慢的动力学,严重阻碍了电解水制氢技术的大规模工业应用.近年来,人们发现利用较低热力学电势的尿素氧化反应(UOR)取代阳极OER能够同时实现氢气的节能生产和尿素废水的净化.但这种技术的挑战在于尿素电解过程...     

碱性电解水高效制氢

与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。     

一种适用于生物油低温制氢的碳纳米纤维促进的镍催化剂

氢气作为一种高热值的清洁能源广泛地应用于工业中. 研究证明: 生物质通过化学过程可以转化为多种气体燃料(氢气), 液体燃料以及高附加值的化学品. 生物质作为一种环境友好型再生洁净能源, 其研究越来越受到关注. 本文旨在探讨利用生物油为原料, 通过水蒸汽重整方法制备富氢合成气的过程. 利用均匀浸渍的方法制备了一种高分散的碳纳米纤维促进的镍(Ni/CNFs)催化剂, 并将普通的Al₂O₃作为载体的Ni/Al₂O₃催化剂和Ni/CNFs作对比. 研究了重整温度以及水蒸汽和碳摩尔比(n_S/n_C)对生物油水蒸汽重整制氢的影响. 结果表明: 碳纳米纤维作为载体用于生物油水蒸汽重整制氢的效果要远优于普通的Al₂O₃载体, 利用22% Ni/CNFs 催化剂时, 在实验温度范围内(350-550℃), 最高生物油转化率和氢气产率分别达到了94.7%和92.1%, 通过研究重整条件以及对催化剂进行表征探讨了生物油在水蒸汽重整过程中催化剂的构效关系.     

电解醇制氢

发展了利用甲醇直接电解制氢这种经济的制氢方法, 实验结果表明电解甲醇制氢能够极大地降低电能消耗. 此方法的新颖之处在于方法简单和成本低. 将直接甲醇燃料电池膜电极作为电解装置, 可以达到任何规模的要求. 如果将这种电解装置与太阳能电池联用, 可非常经济地制氢及氢气储存, 或直接向燃料电池或其它化学工程装置供氢.     

铜 基 催 化 剂 上 甲 醇 水 蒸 汽 重 整 制 氢Ⅰ． 催 化 剂 组 成 的 影 响

在H2O/CH3OH摩尔比为1.3、液空速为1.5h-1、反应温度为220℃条件下,对甲醇水蒸汽重整制氢Cu/Zn/(Fe,Mn,Cr)/AlO催化剂性能进行了考察.研究表明,Cr的加入可以显著提高甲醇的转化率,降低出口气体中的CO含量.与Cu60Zn30Al10催化剂相比,Cu30Zn15Cr45Al10催化剂出口气体中CO的含量降低54%,甲醇的转化率提高约20%.