高电流密度PEM水电解OER催化材料研究现状与分析

因强酸性、高过电位以及强氧化环境等问题,商业化质子交换膜(PEM)水电解析氧(OER)阳极需采用高载量的贵金属材料,且目前尚无替代的非贵金属催化剂,导致成本居高不下。以高电流密度(HCD)提升功率密度是PEM水电解未来发展趋势,但随着电流密度升高,水电解反应过电位也近似线性增长,需要催化材料更高的电导率和更快的物质运输,以降低电流和电解效率的损失。因此,开发高性能OER催化剂对推动PEM水电解制氢产业的发展意义重大。介绍了PEM水电解与可再生能源的契合性,从OER四电子反应机理出发,揭示OER催化剂研究意义;结合已有的研究报道,从形貌尺寸、表面结构、传电能力、电化学反应微环境等四方面,分析了高电流密度下OER催化材料的研究现状及其提高PEM水电解传输效率的原因;对高电流密度PEM水电解OER催化材料未来的发展趋势提出建议并进行了展望。

Cu掺杂WN松枝状自支撑纳米阵列的制备及其碱性析氢性能的研究

以偏钨酸铵、乙酸铜等为原料,通过控制掺杂比,采用简单的水热法,合成了形貌不同的前驱体,随后结合高温退火法,在碳纸上成功实现了Cu掺杂WN松枝状自支撑纳米阵列(Cu-WN-5:1)的原位生长;利用SEM、TEM、XRD、XPS等测试手段对样品的形貌和结构进行表征分析,进而利用电化学测试方法评估了催化剂的析氢性能。结果表明,W和Cu的掺杂比(n(W)/n(Cu))对催化剂的析氢性能具有重大影响;当n(W)/n(Cu)为5:1时,催化剂具有最优的析氢活性;Cu元素的成功掺杂改变了WN的电子结构,增加了其活性位点的数量,加速催化过程中的电荷转移速率,从而提升了材料的HER活性;Cu-WN-5:1在KOH浓度为1.0 mol/L、电流密度为10 mA/cm^(2)时所需的过电位为195 mV,Tafel斜率为192 mV/dec,说明Cu-WN-5:1具有较快的电化学析氢反应动力学速率;该材料在KOH浓度为1.0 mol/L的条件下持续反应36 h,表现出优异的长期稳定性。

生物油水溶性组分的水蒸气催化重整制氢实验研究

利用固定床反应器对生物油水溶性组分重整制氢反应进行了考察,研究了温度、吸收剂的加入对反应过程的影响。结果表明,在常压条件下生物油水溶性组分的最佳重整温度为800℃,此时H2体积分数为60%、CO体积分数为10%。加入CO2吸收剂后,H2体积分数提高了25%,H2产率提高了10%。在常压条件下,以CaO作为吸收剂时,最佳的反应温度为600℃,此时H2体积分数最高可达85%。650℃时CaO对CO2的吸收能力减弱导致其对生成H2反应的促进作用急剧降低。

焙烧温度对二甲醚水蒸气重整制氢Cu/ZnO/Al_2O_3/Cr_2O_3+H-ZSM-5双功能催化剂性能的影响

采用共沉淀耦合机械混合法制备了Cu/ZnO/Al2O3/Cr2O3+H-ZSM-5双功能催化剂,并用于二甲醚水蒸气重整制氢反应,结合热重、傅里叶红外光谱、XRD、BET、H2-TPR表征,考察了焙烧温度对Cu/ZnO/Al2O3/Cr2O3催化剂物理化学性质及双功能催化剂催化性能的影响。研究结果表明,400℃焙烧时,析出CuO粒子的同时伴有尖晶石相,进而在反应过程中对金属铜粒子起到良好的隔离作用。而焙烧温度较低时,催化剂分解不完全,催化剂活性位较少。焙烧温度大于500℃时,CuO粒子发生二次团聚,同时尖晶石相大量生成,造成催化剂活性位减少,活性较低。合适的焙烧温度为400℃,此时二甲醚转化率为92.9%,氢气收率可达到76.5%,具有较好的反应效果。

同时脱硫脱硝技术的应用与发展现状

经济的无节制发展给各地区气候带来极大影响,煤燃烧过程中产生的硫氧化物和氮氧化物的大量排放对大气环境造成了污染,酸雨则是直接危害着周围的生态环境和人们的健康。选择合理的技术,有效控制煤燃烧产生的SO2、NOx等污染物已成必然。同时脱硫脱硝技术能在同一套系统内实现脱硫与脱硝,具有设备精简,占地面积小,基建投资少,管理方便和生产成本低等优点。本文综述了目前国内外开发的气相及液相同时脱硫脱硝新技术,分析了各种技术方法原理及应用的相关问题,重点关注光催化法同时脱硫脱硝技术,最后对脱硫脱硝一体化技术的发展前景作了展望。

太阳能光伏/温差复合发电系统效率分析

介绍了分频型和联合型集成太阳能光伏发电和温差发电的复合系统的原理,分别建立了聚光光伏和温差发电系统的数学模型,对不同聚光比和换热系数下的发电系统效率进行了计算和比较。结果表明:分频型复合发电系统效率优于联合型复合发电系统。随着聚光比增大,在冷却良好条件下分频型复合发电系统总效率随之增大,而联合型复合发电系统的总效率随聚光比增大而降低;同时换热系数越高,发电系统的性能越好,但存在一限值。

大功率LED散热技术和热界面材料研究进展

LED结温的升高将造成发光强度降低、发光主波长偏移、寿命降低等不利影响,开发高效、紧凑、低成本、高可靠性的散热技术是LED的重点研究内容之一。总结了目前大功率LED不同类型散热技术的原理及其研究现状,包括自然对流、风冷、液冷、热管和热电制冷等,分析了各种散热技术的优缺点。并介绍了目前LED常用的几种热界面材料,指出碳纳米管是一种非常有潜力的热界面材料。

半导体Z反应光解水制氢的光能转换效率及研究进展

通过介绍人工半导体Z反应的原理,综述该类型反应体系,包括模拟PSI催化剂(PS1[H2])、模拟PSII催化剂(PS2[O2])和介体(mediator)应用于人工模拟光解水制氢的研究进展,重点阐述此三者在Z反应中所起的作用及其电子传递机理的发展现状,并通过估算不同介体的光能转换效率比较各反应系统的优缺点,指出无介体Z反应系统的电子传递机理、非贵金属助剂的制备、在光催化还原二氧化碳和光电催化中的应用是未来Z反应研究的重点。

硼氢化钠制氢的技术路线与发展前景

硼氢化钠(NaBH4)催化水解制氢技术安全可靠,能够即时制氢和即时供氢,可方便地为燃料电池等便携式装置提供氢能,故成为氢源研究的热点课题。考察了硼氢化钠制氢的发展历史,着重分析了三种硼氢化钠水解制氢技术路线和不同制氢催化剂的优势和需要解决的问题,并展望其应用前景。

太阳能光伏-PEM水电解制氢直接耦合系统优化

利用水电解制氢进行氢储能是我国可再生能源弃电问题的解决方案之一。本文建立了太阳能光伏阵列与质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)水电解直接耦合系统的分析模型,研究耦合系统优化运行工况。结果表明,天气变化易导致直接耦合系统工作点偏离光伏最大功率点,引起耦合失配并降低太阳能利用率。通过匹配太阳能光伏阵列串并联结构和水电解器工作槽数进行“粗调”,改变PEM水电解器工作温度进行“精调”,可使直接耦合系统工作在最大功率点附近,使系统能量损失最小。本研究为太阳能光伏-PEM水电解氢储能直接耦合技术的运行策略和优化奠定了理论基础。

二甲醚水蒸气重整制氢Cu-Zn-Al-Cr/ZSM-5双功能催化剂研究

用共沉淀耦合机械混合法制备Cu-Zn-Al-Cr/ZSM-5双功能催化剂,与Cu-Zn-Al/ZSM-5催化剂进行对比研究,并考察其在二甲醚水蒸气重整制氢反应中的催化性能,研究ZSM-5在二甲醚水解反应以及铜基催化剂Cu-Zn-Al-Cr在甲醇水蒸气重整制氢反应中的活性,同时采用热重、X射线衍射、H2程序升温还原等手段对催化剂的焙烧温度、物相结构、还原性能等进行分析。结果表明,Cu-Zn-Al-Cr/ZSM-5双功能催化剂的性能明显优于Cu-Zn-Al/ZSM-5催化剂,同时Cu-Zn-Al-Cr/ZSM-5双功能催化剂在二甲醚水蒸气重整制氢反应中有较好的低温活性和CO选择性,当反应温度为280℃,水醚比为7∶1时,二甲醚转化完全,氢气收率达到85.7%,反应温度低于240℃时,无CO生成;同时催化剂之间的耦合作用使Cu-Zn-Al-Cr/ZSM-5催化剂在较高温度下具有较好的活性和稳定性。

Pt基催化剂二甲醚催化燃烧性能

利用二甲醚催化燃烧作为二甲醚重整制氢的热源可有效简化系统和提高效率,通过对比不同载体、不同Pt负载量以及不同助剂对Pt催化剂的性能影响,筛选出了最适合二甲醚低温起燃催化燃烧的催化剂.研究发现,HZSM-5型分子筛作为二甲醚催化燃烧载体具有较好的起燃特性,同时加入助剂Ce可以显著提高催化剂活性,起燃温度相对Pt/HZSM-5降低了58℃.Pt-Ce/HZSM-5催化剂的二甲醚起燃特性实验表明,在过量空气系数为1.1时具有最佳的起燃特性.对Pt-Ce/HZSM-5催化剂进行了稳定性实验,100h内催化剂性能稳定.

一种硼氢化钠水解制氢的技术路线

硼氢化钠催化水解制氢是一项实用、环保、可行的制氢技术。直接应用固态的硼氢化钠或与催化剂的混合物制氢比使用其溶液制氢更便捷、安全。本文设计了小型制氢反应器,使用NaBH4和乙酸钴粉末的混合物作初始反应物。研究了初始反应温度、供水速率和NaBH4与乙酸钴的混合比对产氢特性的影响。实验结果表明,反应区外围使用冷却水时,可将反应温度波动控制在6～8℃,这有利于降低氢气流速的峰值和保持相对稳定的氢气流。当催化剂的混合量大于4%时,氢气的转化率可达95%以上。

氢气渗透Nb基合金的设计及特性表征

在Nb40Ti30Ni30合金的初生相(Nb,Ti)和共晶相连线上制作Nb-Ti-Ni合金。研究表明,上述直线上的合金由初生相和共晶相构成,氢渗透度Φ随Nb浓度和初生相(Nb,Ti)体积分数的增大而升高,氢渗透合金的Nb浓度扩展至68mol%。Nb68Ti17Ni15合金由74%(体积分数)的初生相(Nb,Ti)和26%(体积分数)的共晶相{(Nb,Ti)+TiNi}组成,氢渗透度最大Φ673K达到4.91×10-8molH2m-1s-1Pa-0.5,是Nb40Ti30Ni30合金的氢渗透度Φ673K的2.5倍,纯钯金的氢渗透度Φ673K的3.5倍。

蒸发式冷凝器在发电冷却系统中的研究与应用

介绍了发电冷却系统和蒸发式冷凝器的工作原理和特点,指出其在发电系统中的应用具有降低冷凝温度,提高发电效率,节能节水等优点,并对其研究现状和应用实例进行了总结,分析了目前存在的问题和解决方法,并对蒸发式冷凝器在发电系统的进一步发展做出了展望。

钙基吸收剂吸收和释放CO_2特性的研究

对CaO及白云石煅烧产物吸收CO2进行了研究．结果表明，CaO作为吸收剂。在CO2体积分数为20％的气氛下，当反应温度为550～700℃时，CaO能有效地吸收CO2；当温度为800℃时．生成的CaCO3开始分解，870℃时分解速率最大．白云石作为吸收剂，其热分解分为两步，在N2气氛下。这两步的反应温度范围有所重合；在CO2气氛下，所生成的CaCO3分解温度提高，两步反应区分明显．

基于铁盐催化的固态硼氢化钠制氢研究

以非贵金属铁盐为催化剂,考察不同浓度的Fe2(SO4)3溶液、初始反应温度和不同进液速率下的固态NaBH4水解产氢性能。实验表明:相同浓度下,Fe2(SO4)3的催化产氢性能高于Fe(NO3)2和FeCl3。在Fe2(SO4)3溶液浓度为1.5mol/L时产氢速率出现最大值,提高Fe2(SO4)3浓度,可提高平均产氢速率;在20～48℃范围内,随反应温度的升高,产氢转化率略有上升,最终均能达到90%以上。

CO_2钙基吸附剂在急速加热下释放机理的研究

利用自主开发的急速加热和快速质谱气固相反应分析仪进行了CO_2钙基吸附剂N2气氛中300℃/s、500℃/s、600℃/s、800℃/s高加热速率下释放机理的研究,实验发现CaCO_3的热分解速率随着加热速率的提高而提高。根据最可几动力学模型函数判定方法,求得动力学三因子为:E=129.38 kJ/mol,n=6/5,A=806 129 s^(-1),反应动力学模型函数为:f(α)=5/2(1-α)[-ln(1-α)]^(3/5)。结果表明,急速加热器中CaCO_3分解反应速率比在热重分析仪(thermo gravimetric analyzer, TGA)中快,活化能小于同条件下TGA测得的活化能,且动力学机理符合随机成核及长大模型,与TGA等慢速加热实验中测得的收缩核模型存在较大差异。

甘氨酸燃烧法制备Co/CeO_2催化剂用于CO选择性氧化脱除

采用甘氨酸燃烧法制备了不同负载量的Co／CeO2催化剂，考察了钴负载量和反应温度对其在富氢气氛中选择性催化氧化CO的反应性能，并与浸渍法制备的Co／CeO2催化剂进行了对比；同时采用XRD、SEM和H2-TPR等手段对催化剂进行了表征．结果表明，在富氢气氛下，甘氨酸燃烧法制备的Co／CeO2催化剂，对CO的选择性催化氧化反应，具有较好的低温反应活性和较高的选择性．当钴金属氧化物负载量为30％时，在150～200℃，催化剂对CO的催化氧化率达到99％以上；并且在反应温度为150℃时，催化剂对CO催化氧化的选择性达到100％．另外，通过用XRD、Raman和TPR对催化剂进行分析表征，在甘氨酸燃烧法制备的催化剂中Co304具有较好的分散度，co和ce之间的相互协同作用提高了催化剂的催化氧化活性和选择性．

催化剂Ni-Cu/SrCeO_3在乙醇水蒸气重整制氢的催化研究

利用固定床反应器对一系列自制催化剂Ni-Cu/SrCeO3在乙醇水蒸气重整制氢反应中的催化性能进行考察,研究活性金属Ni的负载量、反应温度、水醇比对催化剂活性的影响。实验结果表明,Ni负载量为10%(质量分数)的催化剂Ni-Cu/SrCeO3在乙醇重整制氢中表现出最佳催化活性,当反应温度为650℃,水醇比为8时,氢选择性达到最大值87.3%。