热化学循环分解水制氢研究进展

热化学循环分解水制氢是利用核能或太阳能进行大规模、无污染制氢的有前景的方法 ,已经提出了多种流程.本文对热化学制氢流程及其评价标准进行了综述,重点介绍了碘硫循环、UT-3循环和Westinghouse循环等先进流程的研究进展.     

活性氧缺位铁酸铜的制备及其在热化学分解水制氢中的应用

热化学循环分解水制氢是近年来国际上核能制氢计划的研究热点课题,除美国通用原子能公司（GA）发明的碘硫（IS）循环和东京大学发明的UT-3循环外,作为最简单的热化学循环制氢体系,氧化物体系热化学分解水制氢近年来受到了国际上的广泛关注．采用化学共沉淀法制备了具有尖晶石结构的铁酸盐,经高温煅烧使其形成了初始分解温度仅为839Y3的高活性氧缺位铁酸铜（CuFe2O4-δ）,设计并开发了两步骤热化学循环制氢反应试验装置．利用XRD,DTA—TG,AAS和GC等分析方法和实验技术,对制备出的氧缺位铁酸铜样品的结构、性质、化学组成及氧缺位程度占值进行了详细的研究,并对CuFe2O4-δ分解水制氢过程和循环性能进行了探讨和研究．     

金属氧化物两步热化学循环分解水制氢*

金属氧化物两步热化学循环分解水制氢技术集太阳能储备与氢能制备于一体,是当前新能源研究和开发领域的热点之一。本文介绍了该技术制氢原理,综述了其关键材料金属氧化物体系和太阳能反应器的研究进展,分析了制约该技术规模化应用的“瓶颈”因素。最后,对近年出现的基于金属氧化物两步热化学循环分解水制氢的两步蒸汽重整新工艺的原理和金属氧化物材料研究进行了介绍,并对该领域的发展趋势进行了展望。     

两步热化学分解水制氢用氧交换材料

氧交换材料是一种能够在惰性或还原气氛中快速释氧,而在弱氧化气氛下(如水蒸气)恢复氧的储氧材料。基于氧交换材料的太阳能热化学分解水制氢技术可实现太阳能向氢能的高效转化。该技术利用太阳能提供热量使氧交换材料高温释氧或被还原性气体还原,而后与水发生氧化反应生成纯氢。将氧交换材料制成透氧膜,在膜的两侧发生材料的释氧和氧恢复,同时实现纯氢的连续制备。本文详细论述了铁基氧化物、钙钛矿氧化物、镍基氧化物、铈基氧化物、无机透氧膜等氧交换材料的研究成果,重点介绍了基于不同反应体系氧交换材料的应用情况,并就提高铁基氧化物、钙钛矿氧化物等典型氧交换材料反应活性与循环稳定性的可能路径,构建高效透氧膜反应器的难点与发展方向等主要问题进行了探讨与展望。     

9,10-二氰基蒽光敏分解水制氢反应的研究

本文以9、10-二氰基蒽(DCA)为敏化剂,测定了用胺类,单烯类及取代苯类化合物为电子给体时光敏还原甲基紫精(MV²⁺)的量子产率。用三乙醇胺(TEOA)为电子给体,探索了胶体铂存在下DCA光敏分解水制氩的反应条件并研究了用甲苯、对二甲苯为电子给体时DCA光解水制氢的反应。结果表明以DCA为敏化剂时许多化合物(E^ox<2V)均可作为电子给体,在制氢的同时还有可能合成有用化合物等优点。     

铁酸镍用于热化学循环反应CO_2分解制CO的研究

采用共沉淀法制备了NiFe2O4和NiFe2O4/ZrO2催化剂,用TGA考察了其热化学法,CO2高温分解反应性能。通过对反应前后催化剂的表征发现,反应高温使两种催化剂都发生了明显的烧结,导致在热还原反应中形成的还原态氧化物不能完全被CO2氧化从而降低了催化剂的反应性能;ZrO2的加入对于提高催化剂的热稳定性以及循环反应稳定性具有重要的作用。在高温反应炉中考察了NiFe2O4/ZrO2的CO2分解实验,结果表明,提高热还原温度可以提高CO产量,然而,随着循环次数的增加CO的产量降低得更明显。     

基于可见光催化分解水制氢的物理化学综合实验设计

将可见光催化分解水制氢引入物理化学综合实验,系统介绍了催化剂制备、表征及光催化反应性能评价等实验内容.以无毒、易制备的g-C3N4作为实验用可见光催化剂,考查了制备温度对催化剂的结构及光催化性能的影响.     

铁酸镍用于热化学循环反应CO2分解制CO的研究

采用共沉淀法制备了NiFe₂O₄和NiFe₂O₄/ZrO₂催化剂,用TGA考察了其热化学法,CO₂高温分解反应性能。通过对反应前后催化剂的表征发现,反应高温使两种催化剂都发生了明显的烧结,导致在热还原反应中形成的还原态氧化物不能完全被CO₂氧化从而降低了催化剂的反应性能;ZrO₂的加入对于提高催化剂的热稳定性以及循环反应稳定性具有重要的作用。在高温反应炉中考察了NiFe₂O₄/ZrO₂的CO₂分解实验,结果表明,提高热还原温度可以提高CO产量,然而,随着循环次数的增加CO的产量降低得更明显。     

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO₂单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进...     

负载型纳米CdS制备及催化分解水制氢的研究进展

硫化镉(CdS)是一种研究广泛的光催化剂,禁带能为2.4 eV,可以吸收波长小于520 nm的紫外和可见光,吸收波长范围宽,作为光催化剂具有较大的优势.纯CdS的光催化效率较低,在水溶液中易发生光腐蚀,致使催化寿命缩短,限制了CdS的应用.利用载体比表面积大,易于离子交换且有利于电子传递等优点,将纳米CdS制备成负载型催化剂,可以有效地提高CdS的光催化效率与稳定性,成为CdS改性的一种有效手段.本文综述了以SiO₂、Al₂O₃、MgO、分子筛、高分子材料、层状化合物及钙钛矿型复合氧化物等为载体,制备负载型纳米CdS光催化剂的方法及其在光催化分解水制氢中的应用.     

CoO/SrTiO3的合成及光催化分解水制氢性能

通过添加碱金属化合物矿化剂,以Sr(NO3)2和钛酸四丁酯的水解产物TiO(OH)2为原料进行固态反应,制得结晶完整性较好的SrTiO3粉末.再由浸渍法负载CoO,制备出光催化分解水催化剂CoO/SrTiO3,在400 W高压汞灯照射下,产氢速率可达到480μmol•g cat－1•h－1. SEM、UV-Vis漫反射光谱表征结果显示,合成SrTiO3时加入KOH矿化剂可使固态反应完全,SrTiO3结晶完整性提高,进而促进其光催化活性提高.确定了适宜的KOH矿化剂用量为2.0％(w).     

硫缺陷型In2S3光催化剂高效分解水制氢研究

缺陷工程被认为是提高光催化剂分解水制氢性能的关键策略之一,然而有关缺陷诱导半导体材料电子结构演变并增强光生载流子传输机制尚不明确。在本研究中,我们通过简单的一步水热合成法成功构建了富含S缺陷的In2S3半导体光催化剂（VS-In2S3）,在模拟太阳光辐照下其光催化分解水产氢性能相比传统的In2S3（P-In2S3）提升了近一个数量级（达到221.18 μmol/g/h）。此外,利用自主研发的原位X射线光电子能谱（SI-XPS）结合相关密度泛函理论计算证实：S缺陷可诱导强还原性的低价态In（In(3-x)+）暴露,进而增强In位点对H2O的吸附和活化能力,因此,S缺陷型In2S3表现出显著增强的光催化析氢活性。此外,可视化观测到H2O分子在原位光照下脱质子转化为OH的分解水制氢过程。该研究为缺陷型光催化剂设计及光催化分解水反应机制和过程研究提供了一定的见解。     

Cu/Sr3Ti2O7的制备及其光催化分解水制氢活性

采用聚合合成法(PCM)合成出层状钙钛矿结构的Sr3Ti2O7, 进而负载Cu 离子, 制成Cu/Sr3Ti2O7催化剂. 以超纯水和甲醇牺牲剂体系的光催化分解反应为探针, 通过检测氢气生成速率评价了催化剂的光催化性能, 并借助光电子能谱(XPS)、X 射线衍射(XRD)分析、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段对催化剂进行了表征. 实验结果表明, Cu 在催化剂中以多价态存在, Cu+和吸附氧有利于光生电子的转移. Cu/Sr3Ti2O7催化剂较之纯Sr3Ti2O7催化剂活性大大提高, Cu 最佳负载量为1.5%(w). 产氢速率可稳定在550-600 μmol·h-1. 还原过的Cu/Sr3Ti2O7催化剂产氢速率最高可达1140.8 μmol·h-1.     

基于可再生能源的水电解制氢技术（英文）

在全球变暖,污染日益严重的今天,发展可再生清洁能源成为了当务之急.然而可再生能源(风能、太阳能)本身具有间断特性,这就需要寻找一种合适的能量媒介储存能量来保证其能源的稳定输出.当前,我国各地不断出现弃风、弃光和弃水电事件,据国家能源局的公开数据,仅2016年,全国弃风电量497×10~8 kW·h,弃光率仅西部地区就已达20%,弃风弃光日臻凸显[1].从地域方面来看,我国光伏发电呈现东中西部共同发展格局,其中,西部地区主要发展集中式光伏发电,新疆、甘肃、青海、宁夏的累计装机容量均超过5×10~6 k W·h,而中东部地区除集中式光伏发电外,还重点建设分布式光伏发电,江苏、浙江、山东、安徽的分布式光伏装机规模已超过100万千瓦.我国光伏发电集中开发的西北地区也存在严重的弃光问题.根据中国光伏行业协会发布的报告,我国的弃光现象主要集中于西北的新疆、甘肃、青海、宁夏和陕西五省区.据统计,2016年,五省区光伏发电量287.17×10~8 k W·h,弃光电量70.42×10~8 k W·h,弃光率为19.81%,各省区光伏发电并网运行数据如表格所示.可以看出,新疆、甘肃光伏发电运行较为困难,弃光电量绝对值高,弃光率分别达到32.23%和30.45%[2].在新能源体系中,氢能是一种理想的二次能源,与其它能源相比,氢热值高,其能量密度(140 MJ/kg)是固体燃料(50MJ/kg)的两倍多.且燃烧产物为水,是最环保的能源,既能以气、液相的形式存储在高压罐中,也能以固相的形式储存在储氢材料中,如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等.对可再生和可持续能源系统,氢气是一种极好的能量存储介质.氢气作为能源载体的优势在于:(1)氢和电能之间通过电解水技术可实现高效相互转换;(2)压缩的氢气有很高的能量密度;(3)氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力.制氢的方式有很多,包括:化石燃料重整、分解、光解或水解等.全球每年总共需要约40亿吨氢气,95%以上的氢气是通过化石燃料重整来获得,生产过程必然排出CO_2,而电解水技术利用可再生能源获得的电能进行规模产氢,可实现CO_2的零排放,可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能,更利于储存与运输.所存储的氢气可用于燃料电池发电,或单独用作燃料气体,也可作为化工原料.通过水电解方式获得的氢气纯度较高,可达99.9%以上.     

以乙二醇为电子给体在CuO/TiO2上光催化分解水制氢

采用浸渍、热分解的方法在TiO₂纳米颗粒上负载CuO制备得到光催化剂CuO/TiO₂。研究了以乙二醇为电子给体,在CuO/TiO₂上光催化分解水制氢的反应过程。重点分析考察了影响光催化产氢速率的因素如CuO的负载量、反应时间、光催化剂用量、乙二醇初始浓度等,同时对光催化制氢的反应机理进行了初步探讨。结果表明,氙灯光源模拟太阳光下最佳产氢速率达到604.5μmol·h^-1·g^-1;CuO/TiO₂催化剂改善了光吸收性能、减少了光生载流子的复合速率,CuO可以起到传输电子的作用;乙二醇为电子给体很可能经过羟基乙醛进一步被氧化。     

以乙二醇为电子给体在CuO/TiO2上光催化分解水制氢

采用浸渍、热分解的方法在TiO₂纳米颗粒上负载CuO制备得到光催化剂CuO/TiO₂。研究了以乙二醇为电子给体,在CuO/TiO₂上光催化分解水制氢的反应过程。重点分析考察了影响光催化产氢速率的因素如CuO的负载量、反应时间、光催化剂用量、乙二醇初始浓度等,同时对光催化制氢的反应机理进行了初步探讨。结果表明,氙灯光源模拟太阳光下最佳产氢速率达到604.5 μmol·h^-1·g^-1;CuO/TiO₂催化剂改善了光吸收性能、减少了光生载流子的复合速率,CuO可以起到传输电子的作用;乙二醇为电子给体很可能经过羟基乙醛进一步被氧化。     

还原氧化石墨烯/介孔TiO2复合材料的合成及其光解水制氢性能

采用溶胶凝胶法,以钛酸四异丙酯(TTIP)为钛源,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂合成了介孔二氧化钛样品mTiO_2,考察了合成温度、水量、模板剂用量和焙烧温度对其在紫外光条件下光催化产氢活性的影响。结果显示,在350℃下焙烧后,样品由无定形结构转变为锐钛矿相;随着焙烧温度的提高,锐钛矿相结构产物的结晶度提高,当焙烧温度超过550℃后,样品大部分转变为金红石相。以合成温度为30℃,模板剂用量(nCTAB/nTiO_2)为0.2,水量(nH2O/nTiO_2)为100,焙烧温度为450℃条件下合成的m-TiO_2样品为催化剂,当催化剂用量为0.4 g·L-1,体系中甲醇浓度高于20%(V/V)时,其紫外光条件下的光催化产氢活性达170 mmol·g-1·h-1。采用水热法将氧化石墨烯(GO)与m-TiO_2复合制备了一系列还原氧化石墨烯/介孔TiO_2复合材料(rGO/m-TiO_2),其晶相结构为锐钛矿相。当r GO复合量(wGO/wTiO_2)为0.01时,样品在紫外光下的产氢活性为241 mmol·g-1·h-1,能量转化效率达7.4%,较未复合样品提高了42.3%;在可见光条件下,其产氢活性达9 mmol·g-1·h-1。     

MoSe2纳米片耦合Pt纳米颗粒用于高效双功能催化甲醇辅助水电解制氢(英文)

化石燃料的大量消耗所带来的全球性挑战推动人们大力发展清洁和可持续的能源.氢能作为一种绿色、无污染的能源载体,是能源向绿色经济转换的关键,而利用可再生能源进行的电解水制氢被认为是实现绿色制氢的最佳选择.然而由于析氧反应(OER)的氧化电位(1.23 V)较高,动力学缓慢,实际水电解需要更多的能量输入.具有低氧化电位的甲醇辅助水电解(0.016 V)可以匹配可再生能源实现低能耗电解制氢,受到了广泛关注.开发高效的用于催化甲醇氧化(MOR)和析氢反应(HER)的双功能催化剂是实现这一愿景的前提.传统的Pt基催化剂容易受到阳极侧MOR过程中产生的CO中间体毒化,严重影响甲醇辅助水电解制氢的效率.为了提升Pt基催化剂的催化活性和稳定性,一种有效的策略是引入合适的功能组分来促进催化反应.例如,贵金属颗粒和亲氧化成分(如过渡金属氧化物和磷化物)之间的金属-载体相互作用可以有效提高Pt基催化剂的抗CO中毒能力.过渡金属硒化物由于其优良的金属性和亲氧性作为催化促进剂受到越来越多的关注.硒化钼(MoSe₂)具有良好的稳定性和导电性并且其2H相中的不饱和边缘具有水活化和解离活性,同时其...     

高压下TiSi2可见光光热催化分解水制氢的研究

系统地研究了高压下一系列TiSi2催化剂的可见光光热催化分解水制氢行为.研究结果表明,压力增加显著提高了TiSi2催化剂光催化分解水制氢速率.添加NaOH和Na2CO3有利于水分解制氢的反应进行,在一定范围内,NaOH和Na2CO3浓度增加,放氢速率增加.研究还发现,担载贵金属Pt或Ru对反应速率没有显著影响.本文还采...