封装型α-Fe_(2)O_(3)@SiO_(2)催化剂的制备及其催化正仲氢转化性能评价

正氢和仲氢(以下简称“正仲氢”)转化反应影响氢气的低温液化过程,是液氢贮存和运输过程中的关键步骤。传统铁基催化剂面临活性物种聚集长大、耐水性不足和高温耐受性差等问题。为解决以上问题,通过将α-Fe_(2)O_(3)封装于具有丰富孔道结构的无定形二氧化硅中,制备了催化正仲氢转化的高性能封装型α-Fe_(2)O_(3)@SiO_(2)催化剂。利用SEM、XRD和H_(2)-TPR等表征手段探究了封装型结构对催化剂表面形貌、晶体结构以及还原性能等的影响,利用性能测试装置评价了催化剂催化性能,分析并总结了封装型结构与催化剂催化性能之间的关系。结果表明,封装型结构可优化催化剂孔道结构,调控活性位点电子性质,提升催化剂结构稳定性和高温耐受性,进而提升催化剂催化性能。当体积空速为600 min^(-1)时,在α-Fe_(2)O_(3)@SiO_(2)和α-Fe_(2)O_(3)/SiO_(2)(不具备封装型结构)的作用下,装置出口处仲氢体积分数分别为41.8%和37.6%,正氢转化率分别为22.4%和16.8%,表明封装型铁基催化剂在正仲氢转化领域具备较高的应用潜力。

限域效应提升正仲氢转化催化剂性能研究

为制备高性能正仲氢转化铁系催化剂,在二氧化硅材料的孔道内原位制备铁基氧化物,借助于二氧化硅对铁基物种的限域效应调控催化剂性质,进而制备出高性能催化剂。采用多种表征手段研究分析了限域效应对催化剂性质的影响。结果表明,利用限域效应可有效调控催化剂性质,进而提升催化剂性能。以硅源与模板剂的摩尔比为20∶1制备的二氧化硅材料为载体的正仲氢转化铁系催化剂,在液氮温度(-196℃)、体积空速为600 min^(-1)的条件下,正氢转化率可达47.2%,装置出口处仲氢体积分数可达36.4%。

仲氢转化制冷技术分析研究

在仲氢绝热转化制冷技术研究的基础上,建立了仲氢到正氢的连续转化过程数学物理模型,仿真计算分析了连续转化制冷量数据,并提出了仲氢转化制冷技术用于液氢高效储存的技术途径,分析了用于液氢储存时仲氢转化制冷过程中的温度和焓值变化趋势。结果表明,仲氢的连续转化的确可以产生很大的制冷量,可以设计成液氢储罐的冷屏,用于吸收环境对于储罐的漏热,从而可以减少液氢储存的蒸发损失。

正仲氢转化催化剂性能研究

对自制的正仲氢转化催化剂性能进行了实验研究,结果表明：制备的催化剂经连续反应100 h后,其活性不下降;正仲氢转化催化剂的烘干温度由60℃烘干到适当程度后再升到130℃为宜;煅烧温度超过155℃的时间太长会使活性有所下降;活化温度不宜超过200℃。

傅里叶变换拉曼光谱测定氢气中正-仲氢质量比

采用光散射技术，促使氢分子产生转动跃迁，得到正氢和仲氢的转动拉曼光谱，其峰位为５８７．４、１０３５．１、３５４．９和８１４．７ｃｍ－１。通过测定正氢和仲氢的拉曼峰５８７．４和３５４．９ｃｍ－１的强度，得到氢气样品中正－仲氢质量比为（２．９４～３．０４）∶１，与理论计算值３∶１吻合。

正氢和仲氢分子的核间距

采用ＦＴ－拉曼光谱技术，测定正氢和仲氢的转动拉曼光谱，计算出正氢和仲氢分子的核间距分别是７５．０３和７４．９８ｐｍ（１ｐｍ＝１０－１２ｍ）。

利用量子对应态原理预测正仲氢输运性质

基于量子对应态原理并考虑氢同分异构体之间的结构差异,建立了适用于预测低温正氢与仲氢输运参数的数学模型,明确了对比黏度和对比导热系数与对比德布罗意波长之间的线性关系,并使用所建立数学模型预测了正氢与仲氢的黏度与导热系数。通过对计算结果的检验分析,发现量子对应态原理方法可以较准确地预测温度20100 K及压力0.0110 MPa范围内正氢、仲氢的黏度及导热系数。压力对模型的预测精度影响显著,当环境压力小于1 MPa时,对应态原理预测误差基本控制在6%以内。进一步修正模型中的物性常数修正有望提高对应态原理预测精度。

仲-正氢转化及释冷效应利用研究进展

面向液氢燃料高效贮存、运输和利用各环节对低温绝热的特殊需求,以仲-正氢转化释冷过程为主要研究对象,总结了仲-正氢转化的适用条件、转化速率及其在多种应用场景中的应用方式。依据有无催化剂的区别,分别对自转化过程及催化转化过程的使用条件及转化速率进行了总结,并归纳了常见催化剂类型;根据氢储能的适用温区,分别对液氢、低温压缩氢及吸附储氢三种储氢方案中的仲-正氢转化释冷过程进行了总结分析,并从仲-正氢转化器结构、组分测量方法、释冷量大小等方面综述了仲-正氢转化的研究现状,分析了转化释冷量对延长氢储能时长的贡献率。