燃料电池反应器在化学品与电能共生中应用北大核心CSCD

燃料电池作为能源转换装置能够高效地将化学能转化为电能,随着技术的发展人们将其作为反应器来完成高附加值的化学品的合成,同时产生一定的电能.燃料电池反应器因具有反应条件温和、反应过程可控、产物选择性高、能源利用效率高等特点,而被广泛地应用于医药中间体的制备、气体分离、水处理等多个领域.本文首先按照反应器中阴阳极区域发生反应的类型进行分类,介绍燃料电池反应器在化学品与电能联产中的研究现状和研究进展.随后描述了燃料电池反应器中存在的问题,并依照催化剂、反应过程等方向对解决方案进行探讨.最后,对几种新型燃料电池反应器的研究进行了简要的介绍并对其发展做出了展望.     

光助燃料电池的研究进展

化石燃料的大量开采和利用所导致的能源与环境问题是当今社会可持续发展必须面对的两大挑战. 燃料电池通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能, 是目前清洁高效的可再生能源转化装置. 光助燃料电池将光响应成分引入到燃料电池中, 可以实现光能/电能和化学能/电能的双重转化, 从而有效提高能源利用效率, 是未来能源转化装置的发展方向, 在实际应用方面具有重要意义和广阔前景. 本文对光助燃料电池进行了简要综述, 重点介绍了我们小组近些年来在该领域的相关研究进展, 总结了目前存在的一些问题, 并对其发展趋势进行了展望.     

乙烷脱氢共生电能-增值化学品固体氧化物燃料电池研究进展

天然气/页岩气供应大幅增加推动了全球由乙烷制取乙烯等增值化学品的发展,深刻改变着石化产业的格局,乙烷高效清洁地转化为更高价值化学品具有深远意义. 乙烷蒸汽裂解制乙烯是一项比较成熟的工业生产技术,但是这一过程存在耗能高、积碳严重、热力学平衡受限等问题. 电能-增值化学品共生固体氧化物燃料电池由于可以将燃料气自发反应转化为高价值化学品的同时释放电能的特点被广泛研究. 本文总结了采用共生固体氧化物燃料电池将乙烷电化学脱氢共生乙烯增值化学品和电能的最新研究进展,重点介绍了固体氧化物燃料电池在乙烷脱氢中的工作原理和优势以及电解质和电极材料的选择等方向的研究发展,表明通过燃料电池技术低能耗实现乙烷共生乙烯增值化学品与电能具有显著的优越性,在实现高效节能的工业化生产中具有非常巨大的应用潜力.     

燃料电池技术在电催化反应领域的应用

燃料电池反应器是一种既能生产有价值化学品,又能同时发电的新型单元操作装置.由于其安全、反应易受控制、无污染,且能源资源利用率高的特点,日益受到各国工业部门的重视.本文评述了几类燃料电池反应器如酸性燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的用途、工作原理及其实现工业化所面临的几个主要问题。     

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展（英文）

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注.燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置.在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应.但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化.为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂.找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一.近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性.然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少.人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 m V的过电位,与金属铂(约200 m V)相比基本可忽略.通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质.进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应.本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标.氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较.随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状.根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍:(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用.最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望.继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂.希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向.     

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注。燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置。在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应。但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化。为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂。找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一。近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性。然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少。人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 mV的过电位,与金属铂(约200 mV)相比基本可忽略。通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质。进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应。
　　本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标。氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较。随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状。根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍：(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用。最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望。继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂。希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向。     

高温聚合物电解质膜燃料电池催化剂的研究进展（英文）

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFCs)是一类将化学能转换为电能的能量转换装置,与传统的低温聚合物膜燃料电池相比具有诸多优势.目前HT-PEMFCs主要是以铂作为催化剂.铂基催化剂对于燃料电池氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)有好的催化活性,但在HT-PEMFCs中通常需要高载量的铂基催化剂,以缓解磷酸在铂表面强吸附对活性表达的限制,其存在成本高、活性不足、长时间运行下活性降低及载体腐蚀等问题.本文总结了最近关于HT-PEMFCs催化剂的研究进展,系统分析了贵金属、非贵金属催化剂在HTPEMFCs中的应用前景,并对现阶段HT-PEMFCs催化剂的发展应用进行了展望.     

稀土金属在生物乙醇制氢及其相关反应中的应用

催化生物乙醇制氢有望成为用清洁可再生能源替代化石能源的有效途径,近年来受到广泛关注。本文介绍了制氢的研究概况及燃料电池的相关应用,概括了生物乙醇制氢的优势及反应过程。重点综述了以Ce和La为代表的稀土金属在乙醇制氢反应中的催化效果,并对与制氢反应紧密相关的甲烷水蒸气变换反应、水汽变换反应、CO选择性氧化反应和黑碳氧化反应中稀土金属的催化作用进行了探讨。在综述相关研究进展的基础上为生物乙醇制氢催化剂的开发提供建议。     

氧还原反应前沿与进展

主要介绍氧还原反应的研究意义、反应机理以及研究现状。氧还原反应作为燃料电池的阴极反应,其能否高效进行将直接影响燃料电池的转化效率。目前,氧还原反应的反应机制仍存在较大争议,包括活性位点及反应步骤等。商业碳载铂虽然活性很高,然而其在实际应用中却会受到多方面限制。本文着重介绍了近些年报道的非金属及非贵金属催化剂。非金属及非贵金属催化剂在自然界中资源丰富、价格低廉、制备简单、导电性及稳定性良好,且不会被小分子毒化。所以,对非金属及非贵金属材料的氧还原研究可为新型能源装置的应用提供参考。     

《电极过程简明教程》

本书原为英国皇家化学会出版,是一本电化学入门级的经典教材。书中将电极反应原理、应用技术与实验方法有机地融为一体,化繁为简,讲述深入浅出。内容涵盖了电极反应过程及界面现象、电子转移过程,各种复杂的电极反应,实验电化学,电极反应研究技术,燃料电池等。本书特别适合作为电化学专业的本科生教材,也可用作能源、材料、环境等     

生物质热解液化与美拉德反应

对生物质热解液化和美拉德反应进行了介绍,指出美拉德反应不仅存在于生物质热解液化过程中,而且通过引入适量氨等调控措施,可以促进美拉德反应有选择性地生成吡嗪类杂环化合物等高值化学品,然后再通过分级冷凝将生物油分为化工生物油和燃料生物油,前者用于分离提取高值化学品,后者用于锅炉和窑炉的燃料.引入美拉德反应后,生物质热解液化技术经济性将会得到根本性的改善.     

A new green technology: hydrothermal electrolysis for the treatment of biodiesel wastewater

Recently, biodiesel has become more attractive as an alternative diesel fuel because it is renewable, biodegradable, non-toxic, and environmentally friendly. In this study, we have developed a new green process called ??hydrothermal electrolysis??, by which industrial wastewater can be converted to more value-added chemicals under high-temperature and high-pressure aqueous conditions. We prepared model biodiesel wastewater and carried out hydrothermal electrolysis experiments by using both a continuous flow reactor and a batch autoclave. Current efficiencies and the effects of reaction time and reaction temperature on the decomposition of biodiesel wastewater and removal of total organic carbon (TOC) were investigated under various operating conditions. It was found that conversions of both TOC and glycerol inside the model biodiesel wastewater increased with increasing applied current. With the autoclave, the maximum glycerol conversion was recorded as 83% by applying 1 A current at 250 °C, whereas with the flow reactor, 75% of glycerol was converted into gas and liquid products under the effect of 1 A current for 60 min at a reaction temperature of 280 °C. In the case of TOC removal from the liquid product solution, under identical conditions, it was found that 23 and 15.9% TOC conversions were achieved by the batch and continuous flow reactors, respectively.     

二氧化碳电还原制草酸研究进展

近年来, 二氧化碳过量排放所引发的全球变暖等气候问题引起了全世界的广泛关注, 碳减排已成为人类社会可持续发展面临的共同挑战. 利用电化学方法将二氧化碳转化为高附加值化学品是实现碳减排和二氧化碳高附加值利用的理想途径之一, 但仍面临能耗高、 二氧化碳转化率低、 产物选择性差和难分离等问题. 本文以电还原二氧化碳制草酸为例, 从反应机理、 催化剂、 电解液、 催化电极及反应器等方面介绍该反应的研究进展, 对当前二氧化碳电还原制草酸存在的关键问题进行了分析, 并对其未来研究方向进行了展望.     

Mathematical modeling and simulation of the reaction environment in electrochemical reactors

An electrochemical reactor, enabling controlled flow and capable of including a varied range of forms of electrodes, is important in the studies of electrochemical processes, such as energy production and storage, electrosynthesis of chemicals, electrowinning of metals, purification of water, wastewater treatment, remediation of soils, and so on, before the process development and scale-up. Here, we reviewed recent advances in modeling and simulation of the reaction environment in many electrochemical reactors used in multiple applications. The importance of computational fluid dynamics simulations to study existing reactors and to design novel reactor geometries and some components of existing cells is discussed. Aspects include the effect of electrolyte velocity on the flow dispersion, mass transport rates, and current distribution.     

Role of energy irradiation in aiding pretreatment of lignocellulosic biomass for improving reducing sugar recovery

With the depletion of crude oil reserves, the ever-increasing global energy consumption encourages the efforts to find alternative renewable sources for production of biofuels and value-added chemicals. The conversions of lignocellulosic biomass into biofuels and commodity chemicals via the biotechnological pathway have been the recent trend. Specifically, these products can be obtained through fermentation of reducing sugars, which are the main but basic derivatives from the biomass. In order to overcome the recalcitrant structure of the biomass for effective reducing sugar recovery, a pretreatment stage is normally required. Currently, one of the most novel forms of biomass pretreatment is using energy irradiation methods such as electron beam, gamma ray, pulsed electrical field, microwave and ultrasound. In general, these technologies are often used together with other more conventional chemical and/or biological pretreatment techniques for enhancing sugar recovery. Nevertheless, energy irradiation offers significant improvement in terms of possible cost reduction opportunities and reduced toxicity. Hence, this review highlights the recent studies of using energy irradiation for pretreating biomass as well as the industrial applications of reducing sugars in biotechnological, chemical and fuel sectors. In short, more research needs to be done at the scientific, engineering and economic levels to make energy irradiation one of the front runners in the field of biomass pretreatment.     

CeO2/RP-PSCFM@CoFe阳极材料用于质子导体乙烷燃料电池共生乙烯和电能

The continuous consumption and excessive use of fossil fuels promote the exploration of new energy conversion technologies. Meanwhile, the increase in the supply of ethane encourages the development of industrial technology for the production of ethylene chemical raw materials. Compared with traditional fossil fuel energy conversion equipment, solid oxide ethane cogeneration fuel cells are an efficient energy processing device. Through selective oxidation of fuel gas on the anode, the endothermic process of ethane dehydrogenation is converted into an exothermic oxidation reaction, which has a greater driving force for reaction thermodynamics, and simultaneously produces clean electricity and value-added chemicals without CO₂ emissions. The anode material used for the proton conductor ethane fuel cells needs to operate stably and efficiently under hydrocarbon fuel. Consequently, excellent catalytic activity, low polarization resistance, and anti-coking stability are essential. In this work, CeO₂ was uniformly impregnated into the surface of the porous cubic perovskite Pr_0.4Sr_0.6Co_0.2Fe_0.7Mo_0.1O_3−δ anode by wet impregnation, and then calcined and reduced to obtain a CeO₂/RP-PSCFM@CoFe composite anode embedded with nanoparticles, which was successfully used in electrolyte-supported proton conductor fuel cells. CeO₂ has a high ionic conductivity and transport capacity, which accelerates the transfer rate of protons on the anode and improves the catalytic reaction and transport process. Moreover, uniformly dispersed CeO₂ can effectively increase the three-phase interface of the anode reaction and increase the range of reaction activity. The peak power densities before and after wet impregnation reached 172 and 253 mW·cm⁻², respectively, at 750 ℃. When switching to ethane as the fuel, the peak power densities reached 136 and 183 mW·cm⁻², respectively. The polarization resistance of the impregnated single cell was significantly reduced, and the catalytic activity improved. Moreover, there was no attenuation for 10 h in the long-term test. Inversely, the current density increased with the continuous reduction of the composite anode. Product analysis revealed that the yield of ethylene increased from 23.52% at 650 ℃ to 34.09% at 750 ℃, and the ethylene selectivity exceeded 94%. These results clearly show that the impregnated anode exhibited excellent catalytic activity and anti-coking ability in hydrocarbon fuels at high temperatures. Combining CoFe nanoparticles with CeO₂ enhanced the electronic conductance and ionic conductance of the electrode, improved the transmission of electric energy and the efficient conversion of chemicals, thus successfully producing the cogeneration of electric energy and ethylene.     

光热催化甲烷干重整研究进展

随着工业化的推进,化石能源的消耗产生大量温室气体,其中CH₄和CO₂占据温室气体排放的98%以上。将CH₄和CO₂转化为高附加值化学品具有重要的意义,一直受到工业界和学术界广泛关注。传统的热催化甲烷干重整(DRM)可实现将CH₄和CO₂转化为合成气,但该反应过程受热力学限制,需要很高的能量输入,并且由于反应温度较高,催化剂易发生积碳而失活。绿色环保的光催化技术可以使甲烷干重整反应在温和条件下进行,但是存在太阳光利用率和反应转化率较低等问题。最近光热协同催化受到学术界广泛关注。许多研究结果表明,在相对温和的条件下,光热催化DRM可以获得良好的催化效果,可有效实现太阳能转化为化学能。本文简要介绍近期光热催化甲烷干重整反应的研究进展,总结不同金属催化剂在光热催化甲烷干重整中的应用,同时提出了光热催化甲烷干重整存在的一些挑战及展望。     

化学链技术及其在化石能源转化与二氧化碳捕集领域的应用

化学链是指将某一特定的化学反应通过化学介质的作用分多步反应完成的过程．这一概念早在20世纪初就曾被用于以水蒸气与铁反应制备氢气,并于20世纪中期被提出用于二氧化碳的商业化生产．然而,时至今日,尚无商业化的化学链工艺用于化石燃料的转化．在近年来全球气候变暖及能源危机的急迫形势下,化学链循环过程由于其具有可以将碳基燃料直接转化为可供封存的二氧化碳的独特能力而格外受到关注,人们因而加大了对化学链工艺的研究开发力度．现代化学链工艺逐步克服了早期工艺的缺点,并不断尝试开发以煤或者其他固体燃料作为直接进料的新工艺．现有的各种小试及中试装置操作结果及系统模拟分析表明,化学链循环工艺可以有效地降低二氧化碳分离能耗并提高化石能源转化效率,极具商业化潜力．本文主要介绍目前世界范围内现行的使用化石燃料作为原料的化学链循环工艺,重点总结对比了化学链燃烧和化学链气化两个过程的发展现状,并对化学链循环工艺工业化进程中的机遇和挑战进行了简要的讨论．