铁基氧交换材料的制备、表征及其制氢性能研究
发布时间：2021-04-07 19:37
作为未来最重要、最有潜力的二次能源之一,氢气因其来源丰富、无污染、高效等优点受到各国研究者的广泛关注。在众多制氢工艺中,以水作为氢源的热化学分解水制氢工艺又因其节能、无污染、物料可循环利用等优点而备受研究者青睐。氧交换材料是热化学分解水制氢工艺的关键,针对氧化-还原两步循环热化学分解水制氢中存在的氧化-还原反应间歇、交替发生的缺点,可将氧交换材料制备成氧交换陶瓷膜反应器应用于热化学分解水制氢,即可避免交替反应的出现,有效实现纯氢的连续制备。氧交换陶瓷膜是一种只允许氧离子和电子透过的致密陶瓷膜,从理论上来说,其对氧的选择性为100%。利用该特性,可以使热化学分解水制氢过程中的氧化和还原反应在陶瓷膜两侧同时进行,在连续循环反应过程中有效实现产品分离。但在实际应用中,氧交换陶瓷膜的的透氧量较低和长期工作稳定性较差是两个亟需改善的问题。因此,本论文针对Pr0.6Sr0.4FeO3-δ（PSF）基氧交换陶瓷膜在热化学分解水制氢反应过程中存在的问题进行了一系列研究工作。首先采用溶胶-凝胶法制备了一系列不同W掺杂量的PSF基氧交换陶瓷...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
016年中国能源消费结构
图 1-2 工业制氢主要氢源Fig. 1-2 The major hydrogen sources of the industrial hydrogen manufacturing图1-2为现今工业制氢所用原料主要来源图。现阶段的制氢方法按制氢原料的差异可分为不可再生资源制氢(化石燃料制氢)和可再生资源制氢[12]。其中，化石燃料制氢又可分为天然气重整、煤气化、焦油重整、部分氧化、直接裂解等。目前，天然气仍是工业制氢的主要原料[6]。然而，通过该工艺所制得的H2通常含有部分杂质，例如CH4、CO、CO2和少量H2S等[13-15]。因此，该方法制得的H2因纯度较低而无法直接运用于实际生产中。例如：为保护燃料电池中的Pt电极，燃料电池用H2中的CO的浓度需要降低至10 ppm以下[16]；而用于多晶硅生产的H2纯度需要达到6 N以上[17]。因此，如何制得高纯H2是其大规模商业化应用的关键所在。可再生资源制氢工艺包括水制氢、生物质气化和生物制氢等工艺[18]。与不可再生资源制氢相比
料实现热化学分解水制氢主要通过氧化-还原(Redox)循环实现。作为热化学分解水技术的核心，氧交换材料近年来发展迅猛，同时热化学分解水工艺也发展出多种反应体系(图1-3)。图 1-3 热化学分解水制氢工艺体系Fig. 1-3 TWS hydrogen production technology systems目前，氧交换材料的研究热点主要有铁基、镍基、铈基氧化物和钙钛矿氧化物等。对于透氧性能较好的材料(如钙钛矿氧化物)，可将其制成透氧膜(OxygenTransport Membranes, OTM)构建膜反应器加以应用[25]。在此，将基于Redox概念(化学链概念)的氧交换材料称作氧化还原氧交换材料(Redox-OEM)；而将基于膜反应器概念的氧交换材料称作透氧膜氧交换材料(OTM-OEM)。不同反应体系对材料性能的要求不尽相同，但总的来说可概括为以下几点[26, 27]：(1) 具有较强的储氧能力且可以实现稳定的氧化-还原循环；(2) 反应动力学条件较稳定；(3) 高温热稳定性和氧复原能力较好；(4) 具备较好的抗热震性；(5) 反应过程中尽量不发生相变等。1.2.1 氧化还原氧交换材料Redox-OEM将链式化学循环反应(还原-氧化循环反应)应用于热化学分解水制氢技术。其中，还原过程可采取不同的方法实现：(1) 热化学还原，即氧交换材料MxOy在高温热作用下直接分解至还原态MxOy-δ与O2[28]；(2) 还原气氛还原，即采用CH4、Syngas/CO、H2等还原性气体与氧交换材料反应
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属有机骨架化合物的二氧化碳吸附性能的研究进展[J]. 孙增智,薛程,宋莉芳,邱树君,褚海亮,夏永鹏,孙立贤. 材料导报. 2019(03)
[2]中国能源生产、消费及其结构变化分析[J]. 方源. 黑龙江科学. 2018(24)
[3]两步热化学分解水制氢用氧交换材料[J]. 翟康,李孔斋,祝星,魏永刚. 化学进展. 2015(10)
[4]中国能源供给结构低碳化影响因素及实现策略[J]. 刘鹏,孟凡生. 现代经济探讨. 2014(06)
[5]金属氧化物两步热化学循环分解水制氢[J]. 祝星,王华,魏永刚,李孔斋,晏冬霞. 化学进展. 2010(05)
[6]氧载体的氧物种直接氧化甲烷制合成气[J]. 代小平,余长春. 化学进展. 2009(Z2)
[7]钙钛矿型透氧膜材料的结构特点与研究进展[J]. 程云飞,赵海雷,王治峰,滕德强. 稀有金属材料与工程. 2008(12)
[8]热化学循环分解水制氢研究进展[J]. 张平,于波,陈靖,徐景明. 化学进展. 2005(04)
[9]化学制氢技术研究进展[J]. 吴川,张华民,衣宝廉. 化学进展. 2005(03)
本文编号：3124068
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
016年中国能源消费结构
图 1-2 工业制氢主要氢源Fig. 1-2 The major hydrogen sources of the industrial hydrogen manufacturing图1-2为现今工业制氢所用原料主要来源图。现阶段的制氢方法按制氢原料的差异可分为不可再生资源制氢(化石燃料制氢)和可再生资源制氢[12]。其中，化石燃料制氢又可分为天然气重整、煤气化、焦油重整、部分氧化、直接裂解等。目前，天然气仍是工业制氢的主要原料[6]。然而，通过该工艺所制得的H2通常含有部分杂质，例如CH4、CO、CO2和少量H2S等[13-15]。因此，该方法制得的H2因纯度较低而无法直接运用于实际生产中。例如：为保护燃料电池中的Pt电极，燃料电池用H2中的CO的浓度需要降低至10 ppm以下[16]；而用于多晶硅生产的H2纯度需要达到6 N以上[17]。因此，如何制得高纯H2是其大规模商业化应用的关键所在。可再生资源制氢工艺包括水制氢、生物质气化和生物制氢等工艺[18]。与不可再生资源制氢相比
料实现热化学分解水制氢主要通过氧化-还原(Redox)循环实现。作为热化学分解水技术的核心，氧交换材料近年来发展迅猛，同时热化学分解水工艺也发展出多种反应体系(图1-3)。图 1-3 热化学分解水制氢工艺体系Fig. 1-3 TWS hydrogen production technology systems目前，氧交换材料的研究热点主要有铁基、镍基、铈基氧化物和钙钛矿氧化物等。对于透氧性能较好的材料(如钙钛矿氧化物)，可将其制成透氧膜(OxygenTransport Membranes, OTM)构建膜反应器加以应用[25]。在此，将基于Redox概念(化学链概念)的氧交换材料称作氧化还原氧交换材料(Redox-OEM)；而将基于膜反应器概念的氧交换材料称作透氧膜氧交换材料(OTM-OEM)。不同反应体系对材料性能的要求不尽相同，但总的来说可概括为以下几点[26, 27]：(1) 具有较强的储氧能力且可以实现稳定的氧化-还原循环；(2) 反应动力学条件较稳定；(3) 高温热稳定性和氧复原能力较好；(4) 具备较好的抗热震性；(5) 反应过程中尽量不发生相变等。1.2.1 氧化还原氧交换材料Redox-OEM将链式化学循环反应(还原-氧化循环反应)应用于热化学分解水制氢技术。其中，还原过程可采取不同的方法实现：(1) 热化学还原，即氧交换材料MxOy在高温热作用下直接分解至还原态MxOy-δ与O2[28]；(2) 还原气氛还原，即采用CH4、Syngas/CO、H2等还原性气体与氧交换材料反应
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属有机骨架化合物的二氧化碳吸附性能的研究进展[J]. 孙增智,薛程,宋莉芳,邱树君,褚海亮,夏永鹏,孙立贤. 材料导报. 2019(03)
[2]中国能源生产、消费及其结构变化分析[J]. 方源. 黑龙江科学. 2018(24)
[3]两步热化学分解水制氢用氧交换材料[J]. 翟康,李孔斋,祝星,魏永刚. 化学进展. 2015(10)
[4]中国能源供给结构低碳化影响因素及实现策略[J]. 刘鹏,孟凡生. 现代经济探讨. 2014(06)
[5]金属氧化物两步热化学循环分解水制氢[J]. 祝星,王华,魏永刚,李孔斋,晏冬霞. 化学进展. 2010(05)
[6]氧载体的氧物种直接氧化甲烷制合成气[J]. 代小平,余长春. 化学进展. 2009(Z2)
[7]钙钛矿型透氧膜材料的结构特点与研究进展[J]. 程云飞,赵海雷,王治峰,滕德强. 稀有金属材料与工程. 2008(12)
[8]热化学循环分解水制氢研究进展[J]. 张平,于波,陈靖,徐景明. 化学进展. 2005(04)
[9]化学制氢技术研究进展[J]. 吴川,张华民,衣宝廉. 化学进展. 2005(03)
本文编号：3124068
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