面向氢能源、燃料电池和二氧化碳减排的制氢途径的选择

对氢气的多种制造途径加以探讨,也涉及到氢能的利用、燃料电池以及二氧化碳的减排。需要指出的是氢气并非能源,而只是能量的载体。 所以氢能的发展首先需要制造氢气。对于以化石燃料为基础的制氢过程,如煤的气化和天然气重整,需要开发更经济和环境友好的新过程,在这些新过程中要同时考虑二氧化碳的有效收集和利用问题。对于煤和生物质,在此提出了一种值得进一步深入研究的富一氧化碳气化制氢的概念。对于以氢为原料的质子交换膜燃料电池系统,必须严格控制制备的氢气中的一氧化碳和硫化氢;对于以烃类为原料的固体氧化物燃料电池,制备的合成气中的硫也需严格控制。然而,传统的脱硫方法并不适宜于这种用于燃料电池的极高深度的氢气和合成气的脱硫。氢能和燃料电池的发展是与控制二氧化碳排放紧密相关的。     

Generation of Hydrogen from Photolysis of Organic Acids by Photosynthetic Bacteria

Photodccomposition of ten kinds of organic acids by Rhodopseudomonas palustris for producing hydrogen has been investigated,By using acctate as hydrogen donor,dynamics of hydrogen production and cell growth has been determined;the influences of acetate concentration,temperature,light intensity and the effects of the ineraction among metal ions (Fe^3 ,Ni^ ),acctate and glutamatc in aqueous solution on hydrogen production have been examined for optimizing the conditions of H2 generation .The results show that H2 production is partially correlated with cell growth ;Ni^2 inhibits hydrogen production,but enhances cell growth; Fe^3 promotes hydrogen production evidcntly,The highest rate of H2 production is 22.1 mL L^-1h^-1 under the conditions of 35-37℃,6000-8000lx,30 mmolL^-1 of acetate, 9mmolL^-1 of glutamate, and 50μmolL^-1 of Fe^3 .     

Photocatalytic hydrogen production

The efficient storage of solar energy in chemical fuels, such as hydrogen, is essential for the large-scale utilisation of solar energy systems. Recent advances in the photocatalytic production of H(2) are highlighted. Two general approaches for the photocatalytic hydrogen generation by homogeneous catalysts are considered: HX (X = Cl, Br) splitting involving both proton reduction and halide oxidation via an inner-sphere mechanism with a single-component catalyst; and sensitized H(2) production, employing sacrificial electron donors to regenerate the active catalyst. Future directions and challenges in photocatalytic H(2) generation are enumerated.     

焙烧温度对氧化锌纳米棒光催化生产H2O2活性的影响

过氧化氢作为一种对环境友好的、重要的化学原料,被广泛用于化学工业、漂白剂和废水处理等领域.近几十年来,过氧化氢主要通过蒽醌工艺生产.然而,该方法需要多步蒽醌加氢和氧化反应,导致较高的生产成本和能量消耗,同时伴随着大量的二氧化碳排放.另一种替代策略是在贵金属催化剂的辅助下,由氢气和氧气的混合气体在高温下直接合成.但是,氢气和氧气的混合气体在高温下存在爆炸的危险,从而限制了其大规模应用.因此,探索一种低能耗、温和条件下生产过氧化氢具有重要的意义.太阳能驱动光催化生产过氧化氢是解决上述问题的理想途径.通常认为,过氧化氢是由直接双电子还原(E(O2/H2O2)=0.68 V vs.NHE)或间接单电子O2还原(E(O2/?O2?)=-0.33 V vs.NHE)产生的.氧化锌半导体具有很的稳定性好、环保和成本低等优点,因此经常被用于二氧化碳的光催化还原、污水处理和气体传感器等领域.氧化锌的导带电势(ECB=-0.5 V vs.NHE)比氧还原电势更负,意味着它在热力学上满足光催化过氧化氢生产的要求.然而,目前关于氧化锌的光催化生产过氧化氢的研究尚未受到较多的关注.本文采用简单的水热法制备了一维氧化锌纳米棒,在不同温度下热处理后,对其形貌和结构、光学性质和电化学性质进行了表征.同时,系统地研究了以乙醇为牺牲剂光催化生产过氧化氢的性能.结果表明,随着焙烧温度的升高,氧化锌纳米棒内部的氧空位被空气中的氧气重新填充,其催化生成过氧化氢的活性先升高后降低.经300oC焙烧的氧化锌光催化产过氧化氢的活性最好,为285μmol L-1 h-1.同时,对过氧化氢的生成机理研究结果表明,该过程中为间接单电子O2还原过程.氧气先与一个电子反应生成超氧自由基,再与两个质子和一个电子反应生成过氧化氢分子.综上,本文为氧化锌纳米棒光催化产过氧化氢的机理研究提供了新认识,并提出了一种有前途的过氧化氢生产策略.     

以无机亚磷酸为牺牲剂光化学法制备无定形Ni(OH)2助催化剂用于光催化产氢

随着环境污染和能源危机的加剧,发展可持续能源迫在眉睫.氢气被认为是可以替代化石能源的最有前途的能源之一,且光催化分解水产氢是一种可以将太阳能转化为氢能的环境友好的方法.n型半导体材料石墨C3N4 (g-C3N4)是一种被广泛用作光催化产氢的吸光材料,然而,纯g-C3N4的光生电子–空穴对会迅速重组,其光催化活性非常低.负载助催化剂能够有效抑制光生载流子的复合,是提高光催化产氢速率的有效方法.助催化剂的作用是将电子和空穴转移给相应的反应物,因此除了助催化剂和光吸收材料之间的能级匹配之外,助催化剂负载的位置也是非常重要的.通过常规方法制备的助催化剂一般是随机分布的,而光化学方法可以将助催化剂沉积在电子和空穴的出口处,从而有利于下一步的光催化反应.使用光化学沉积法,可以通过光化学氧化制备氧化型助催化剂,也可以通过光化学还原制备还原型助催化剂.光化学法是还原贵金属助催化剂的一种常用方法,但是对于制备非贵金属助催化剂来说,它仍然是一种相对新颖的方法.光化学法目前正处于发展阶段,依然缺乏成分调控的手段,因此我们致力于发展相对准确、可控的光沉积方法.H2PO2^–由于其特殊的性质被用于光化学还原过渡金属,然而,在H2PO2^–存在下形成的颗粒非常大且高度结晶,这可能抑制光催化剂的活性.本文设计了一种利用其他磷酸盐光沉积合成光催化剂的新方法,旨在制备可控的弱结晶和小尺寸的助催化剂,以提高产氢活性.首先以不同磷酸盐为原料制备催化剂,发现以H2PO3^–为无机牺牲剂制得的催化剂的光催化产氢活性非常突出,而且制得的催化剂具有无定形结构并且平均尺寸约为10 nm.通过XRD, XPS等多种表征,证实了该条件下得到的产物是Ni(OH)2/g-C3N4.同时,通过设计对照实验,发现在使用H2PO3^–作为牺牲剂, NiCl2作为镍源, g-C3N4作为光吸收材料条件下才能制得效果最好的催化剂.然后对光沉时间,原料添加量,产氢牺牲剂等多组条件进行了优化,得到最优的复合光催化剂Ni(OH)2/g-C3N4(4.36wt%)的光催化产氢速率为13707.86μmol·g^-1·h^-1,甚至高于Pt–4.36wt%/g-C3N4的活性(11210.93μmol·g^-1·h^-1).最后,通过PL, TR-PL, SPV, I-V等多种表征对反应机理进行探究,结果表明,光催化产氢性能提升主要原因是Ni(OH)2的负载可以有效提高光生电荷的分离和转移效率,抑制光生电子对的重组.     

乙醇水汽重整制氢反应中钯铜合金膜的透氢性能

 采用真空化学镀技术制备了厚度较薄的具有 fcc 结构的 Pd0.9Cu0.1/Al2O3 合金复合膜, 在 250~500 °C, 160~310 kPa 的乙醇水汽重整制氢模拟反应条件下, 考察了不同醇/水比的 H2-Ar-C2H5OH-H2O 混合气体系中该膜的透氢性能. 结果表明, 乙醇和水的存在均相同程度地降低了膜的透氢性能, 但测试条件下 Pd-Cu 合金膜仍保持完整的膜致密性和稳定的相结构. 在 500 °C, 310 kPa, H2-Ar-C2H5OH-H2O (H2:Ar:(C2H5OH+H2O) 体积比为 60:30:10) 混合气中, 膜的最大透氢量为 11.3 m3/(m2?h), H2 回收率大于 62.5%. Pd-Cu 合金膜在乙醇水汽重整制氢反应中具有潜在的应用前景.     

Boosting Hydrogen Production via Selective Two-electron Mild Electrochemical Oxidation of Tetrahydroisoquinolines Completely to Dihydroisoquinolines

Different from the previous study that biomass derivatives replace water oxidation for enhancing hydrogen production, we found that mild oxidation was more conductive to cathodic hydrogen production. In this study, maximum Faradaic efficiency (>99 %) and lower energy consumption for hydrogen production was achieved by precisely controlling the two-electron mild electrochemical oxidation of tetrahydroisoquinolines (THIQs) to dihydroisoquinolines (DHIQs) in place of the four-electron deep oxidation to isoquinolines (IQs). Moreover, the high value-added DHIQs were prepared from THIQs with high selectivity (>99 %) at the low potential of 1.36 V. Operando electrochemical Raman and density functional theory proved that the high selectivity was attributed to the regulable active species of NiOOH induced by the interaction of Co and Fe for preferentially breaking C−H bond rather than N−H of THIQs. This novel method provides important insight into efficient biomass-assisted hydrogen production.     

Hydrogen generation by hangman metalloporphyrins

A cobalt(II) hangman porphyrin with a xanthene backbone and a carboxylic acid hanging group catalyzes the electrochemical production of hydrogen from benzoic and tosic acid in acetonitrile solutions. We show that Co(II)H is exclusively involved in the generation of H(2) from weak acids. In a stronger acid, a Co(III)H species is observed electrochemically, but it still needs to be further reduced to Co(II)H before H(2) generation occurs. Overpotentials for H(2) generation are lowered as a result of the hangman effect.     

大规模合成非贵金属磷化物/CdS复合光催化剂高效可见光催化产氢（英文）

目前,在可见光照射下光催化产氢是一条解决能源短缺的理想途径.该途径实现工业化的两个关键因素是得到低成本的光催化剂和高的产氢效率.非贵金属助催化剂代替贵金属可大大降低光催化剂的成本.通过简单的方法大规模合成并组装半导体和非贵金属助催化剂以形成复合光催化剂可进一步降低成本.本文采用大规模和低成本的共沉淀法合成了磷化物/CdS光催化剂,实现了光催化产氢.当负载CoP和Mo P助催化剂后,光催化产氢活性得到大幅度提高.其中CoP/CdS和Mo P/CdS的最佳产氢量分别为140和78μmol/h,并分别为CdS的7.0倍和4.0倍,分别为Pt/CdS的2.0倍和1.1倍.这说明磷化物CoP和Mo P是具有优良催化活性的低成本非贵金属助催化剂,可以代替贵金属助催化剂应用在光催化产H_2中.在制备磷化物/CdS时,先将两种磷化物反应原料分别在水热反应釜和马弗炉中煅烧合成前驱体,再分别在管式炉氮气和氢气氛围中进行磷化得到磷化物Mo P和CoP.然后,将得到的Mo P和CoP分别溶解在Cd(NO_3)_2·4H_2O溶液中,在搅拌状态下逐滴加入Na_2S溶液形成沉淀,即可得到复合物磷化物/CdS.CoP/CdS和Mo P/CdS的HRTEM观察显示,磷化物助催化剂与CdS半导体紧密结合,证明了共沉淀法制备助催化剂/半导体复合光催化剂的有效性.磷化物与CdS的紧密结合促进了光激发电子从CdS向磷化物转移,从而大大提高了光催化产氢活性.这项工作为低成本大规模制备光催化剂和光催化产H_2实现工业化提供了一条可行性思路.     

Light-driven hydrogen production by a hybrid complex of a [NiFe]-hydrogenase and the cyanobacterial photosystem I

In order to generate renewable and clean fuels, increasing efforts are focused on the exploitation of photosynthetic microorganisms for the production of molecular hydrogen from water and light. In this study we engineered a 'hard-wired' protein complex consisting of a hydrogenase and photosystem I (hydrogenase-PSI complex) as a direct light-to-hydrogen conversion system. The key component was an artificial fusion protein composed of the membrane-bound [NiFe] hydrogenase from the beta-proteobacterium Ralstonia eutropha H16 and the peripheral PSI subunit PsaE of the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus. The resulting hydrogenase-PsaE fusion protein associated with PsaE-free PSI spontaneously, thereby forming a hydrogenase-PSI complex as confirmed by sucrose-gradient ultracentrifuge and immunoblot analysis. The hydrogenase-PSI complex displayed light-driven hydrogen production at a rate of 0.58 mumol H(2).mg chlorophyll(-1).h(-1). The complex maintained its accessibility to the native electron acceptor ferredoxin. This study provides the first example of a light-driven enzymatic reaction by an artificial complex between a redox enzyme and photosystem I and represents an important step on the way to design a photosynthetic organism that efficiently converts solar energy and water into hydrogen.     

苯并-15-冠-5-修饰的ADT型铁氢化酶活性中心模型的电催化产氢行为

利用Sonogashira反应,以较高的产率将苯并-15-冠-5-基团修饰到铁氮化酶活性中心,得到了结构新颖的ADT型模型化合物1,电化学研究表明该化合物能够催化还原醋酸放出氮气,具有明显的产氢活性.     

气-固相光催化分解硫化氢制氢

利用气-固相反应初步考察了几种常用半导体光催化剂在无氧条件下分解硫化氢产氢的活性.在研究的TiO2,CdS,ZnS,ZnO和ZnIn2S4等催化剂中,ZnS具有较高的光催化产氢活性.在ZnS上担载贵金属Ir可明显提高产氢速率,在ZnS制     

单分散Ni簇锚定在CN上用于高效光催化析氢

利用太阳光在常温常压下驱动光催化反应高效进行是解决人类面临的能源、环境问题从而实现绿色化学的理想方案之一.然而,兼顾效率、成本和稳定性的高性能光催化体系的研究依然存在巨大的挑战.石墨氮化碳(g-C3N4)基光催化剂由于高稳定性、无毒无害和适合的能带结构,在光催化制氢方面存在巨大潜力.然而,表面的慢反应速率导致了光生电子...     

Solution chemistry of a water-soluble eta2-H2 ruthenium complex: evidence for coordinated H2 acting as a hydrogen bond donor

The ability of an eta2-H2 ligand to participate in intermolecular hydrogen bonding in solution has long been an unresolved issue. Such species are proposed to be key intermediates in numerous important reactions such as the proton-transfer pathway of H2 production by hydrogenase enzymes. We present the synthesis of several new water-soluble ruthenium coordination complexes including an eta2-H2 complex that is surprisingly inert to substitution by water. The existence of dihydrogen hydrogen bonding (DHHB) was experimentally probed by monitoring the chemical shift of H-bonded Ru-(H2) complexes using NMR spectroscopy, by UV-visible spectroscopy, and by monitoring the rotational dynamics of a hydrogen-bonding probe molecule. The results provide strong evidence that coordinated H2 can indeed participate in intermolecular hydrogen bonding to bulk solvent and other H-bond acceptors.     

Polyoxometalate Derived Mo Based Hybrid HER Electrocatalysts with Carbon as Matrix and Their Application in Zn-H+ Battery

Journal of Cluster Science - H2 has been considered as a promising successor for traditional fossil fuels due to its sustainable and clean. In H2 production, electrocatalytic hydrogen evolution...     

钙钛矿型甲醇水蒸气重整制氢催化材料的研究

采用溶胶凝胶法合成了钙钛矿复合氧化物,负载氧化铜后得钙钛矿负载型催化材料,通过XRD(X射线衍射分析)、BET(比表面积测试)、H2-TPR(程序升温还原分析)、XPS(X射线光电子能谱)等手段对催化材料进行了表征,考察了不同种类钙钛矿负载纳米铜催化材料的结构、性质对甲醇水蒸气重整制氢性能的影响.结果显示,钙钛矿负载纳...     

过氧化氢生产工艺进展

生产过氧化氢通常有电解法、蒽醌法、异丙醇法以及氧阴极还原法等.目前全世界总产量的95%以及国内总产量的99%的过氧化氢都是采用蒽醌法生产的.在更先进的生产过氧化氢的技术出现之前,蒽醌法仍将是今后一段时期生产过氧化氢最普遍的一种方法.蒽醌加氢工艺有固定床和浆态床两种,国内仍采用较为落后的固定床工艺,而国外基本都采用浆态床工艺.固定床存在床层温升大、易偏流、有局部热点等缺陷,易导致蒽醌过度加氢,降解物种类和数量增多,降低了催化剂稳定性,限制了加氢单元的氢效,生产装置难以大型化.而浆态床工艺具有传质传热好、温度和气液固三相分布均匀等优势,是过氧化氢生产技术的发展趋势.浆态床反应器对催化剂的选择性具有更高的要求.因此,浆态床加氢技术的研发核心是开发兼有耐磨性和高选择性的微球催化剂.中国石化自主开发了具有高活性、高选择性和良好稳定性的蒽醌加氢微球催化剂,并对其活性和选择性进行了寿命试验和中试评价.中试结束后结粒度分布基本保持不变;载体水热稳定性好,使用过程结构没有发生明显变化.证明该催化剂机械强度高、耐磨性能好,能够满足浆态床使用要求.在新生产工艺中采用自主开发的新型浆态床反应器,具有优异的传质、传热效率;催化剂粒径小,完全克服了固定床反应器在规模稍大时存在的偏流、沟流、触媒板结等缺点,氢化效率可长期稳定在11 g/L以上;副反应少,氢化降解物大幅度减少,极大地减轻后续降解物再生负担.在实际工业生产中,蒽醌加氢选择性无法实现100%,因此工作液中难以避免生成降解物,通常采用白土再生手段,使其再转变为蒽醌.但再生剂更换频繁,大大增加了生产成本,同时损失被物理吸附上去的昂贵的蒽醌.因此,十分有必要对蒽醌加氢的降解物种类进行定性识别并研究其再生机理,并在此基础上开发兼有长寿命和高活性的蒽醌降解物再生催化剂.中国石化采用GC-MS对乙基蒽醌和戊基蒽醌多种降解物进行比较全面的定性和定量研究,通过分析蒽醌工作液组成准确推测工作液再生效果,便于及时调整双氧水生产工艺工艺流程和优化参数;并自主开发高性能的蒽醌加氢降解物再生催化剂,可替代现有效率低下的白土床,显著提高装置经济性.为有效解决蒽醌法生产中氧化废气的排放问题,中国石化发明一种无尾气排放、无需溶剂回收、氧含量可控、可减少氧化残液量的蒽醌法生产过氧化氢的氧化方法,从源头上解决蒽醌法生产双氧水装置的最大环保问题,它的应用将使蒽醌法生产双氧水装置朝着绿色环保迈出一大步.目前蒽醌法生产H2O2虽然具有技术成熟、单程产率高、安全性高等优点,依旧存在投资高、工艺流程复杂,以及大量使用有机溶剂带来的产品污染、环境污染问题.与其相比,H2和O2直接合成H2O2(以下称为DSHP)技术的原子经济性高,并且污染少、环境友好.但由于反应过程中H2和O2直接接触,DSHP工艺存在一定的安全隐患.在反应过程中需要充入大量惰性气体稀释并循环,导致DSHP工艺效率低,操作及控制难度大.该反应所使用的Pd基催化剂,既有利于H2O2的生成,也利于三个副反应的发生:H2O的生成、H2O2的后续加氢及分解,导致产品选择性和产率较低.加入酸和卤素等稳定剂虽然可以显著提高产率,但存在设备腐蚀、催化剂活性组分流失等问题,严重影响催化剂的使用寿命.中国石化目前已经开始布局研发DSHP技术,在提高H2/O2反应的本质安全性、研发H2O2精准合成的催化材料和提高H2O2产能等方面做了大量的研究.可以预见,通过理论研究、实验设计和工程开发相结合,在不远的未来能够实现DHSP技术的工业应用.目前国内双氧水几乎全部采用蒽醌法生产.虽然蒽醌法工艺已很成熟,但在多个技术环节,特别是蒽醌加氢催化剂、工作液体系、加氢反应器和环保等方面,存在非常大改进提升的空间.这些问题是实现装置大型化必须解决的.中国石化在这几个方面都自主开发了创新技术,形成了国内全新的拥有自主知识产权的生产过氧化氢的成套技术.作为最直接、最环保、最经济的生产过氧化氢的方法,氢氧直接合成技术与化工反应过程耦合,是未来过氧化氢生产和应用的发展方向,中国石化也已经开始在此方面进行研究和布局.     

巯基乙酸酯官能团修饰的铁氢化酶模拟化合物的合成及表征

对铁氢化酶活性中心进行化学模拟将有可能产生出新型的产氢催化剂.本文利用Sonogashira偶联反应,合成了一种巯基乙酸酯官能团修饰的铁氢化酶活性中心模拟化合物[Fe₂(CO)₆(-μadt)C₆H₄C≡CC₆H₄O(CH₂)₅SC(O)CH₃-4](7),将巯基乙酸酯官能团引入到铁氢化酶活性中心,为进一步制备新型的固载化产氢材料奠定了基础.电化学研究表明,化合物7具有明显的催化产氢特征,在电化学条件下可以催化醋酸放出氢气.     

Effect of the anchoring group (carboxylate vs phosphonate) in Ru-complex-sensitized TiO2 on hydrogen production under visible light

We synthesized six Ru-bipyridyl complexes having di-, tetra-, and hexacarboxylate (C2, C4, and C6) and di-, tetra-, and hexaphosphonate (P2, P4, and P6) as the anchoring group, prepared six different sensitized TiO2 samples by using them, and then systematically tested their visible light reactivity for hydrogen production in aqueous suspension (with EDTA as an electron donor) under lambda > 420 nm illumination. The properties and efficiencies of C- and P-complexes as a sensitizer depended on the number and kind of anchoring groups in very different ways. The adsorption of P-complexes on TiO2 is strong enough not to be hampered by the presence of competing adsorbates (EDTA), whereas that of C-complexes is significantly inhibited. As a result, P-TiO2 exhibited much higher activity for the hydrogen production than C-TiO2, although the visible light absorbing capabilities are comparable among C- and P-complexes. Among the six sensitizers, P2 was the most active one for the H2 production. The hydrogen production activities of C-TiO2 and P-TiO2 depended on the concentration of sensitizers and electron donors in different ways as well. How the sensitizing activity for hydrogen production is influenced by the anchoring group and the experimental conditions was investigated and discussed in detail. It is also notable that the effects of the anchoring group on the sensitized production of hydrogen were drastically different from those on the dye-sensitized solar cell we recently reported for the same set of six sensitizers.