PDF《低温高效甲醇水液相重整产氢催化剂的开发与研究》

3

7 6 中国科学基金2018年 ?成果快报? 低温高效甲醇水液相重整产氢催化剂的开发与研究 林丽利1 葛玉振1 周武2 温晓东3,

4 石川5 马丁1? ( 1.

北京大学 化学与分子工程学院, 北京

1 0

0 8

7 1;

2.中国科学院大学 物理科学学院 中科院真空物理重点实验室, 北京

1 0

0 0

4 9;

3.中国科学院山西煤炭化学研究所 煤转化国家重点实验室, 太原

0 3

0 0

0 1;

4.中科合成油, 北京

1 0

0 1

9 5;

5.大连理工大学 化工与环境生命学部, 大连

1 1

6 0

2 4 ) 收稿日期:

2 0

1 8 G

0 4 G

1 3;

修回日期:

2 0

1 8 G

0 5 G

0 4 ? 通信作者, E m a i l : d m a @p k u . e d u . c n [ 摘要] 氢气化学性质活泼, 如何实现氢气的高效储存和输运是限制整个氢能源体系发展的瓶 颈.一种有效解决上述难题的方法是将氢气存储于高的氢质量含量液体燃料如甲醇中, 在需要时 通过水和甲醇的液相重整反应, 原位释放氢气.而这一过程能够实现的关键在于高效甲醇水重整 催化剂的开发.针对这一挑战, 本研究团队有目的性地设计合成了一种铂 碳化钼( P t / α G M o C) 双 功能催化剂, 在1

9 0℃时, 催化产氢速率高达1

8 0

4 6m o l H

2 / ( m o l P t?h ) , 活性较传统铂基催化剂提升 了两个数量级.通过对催化剂的结构和催化反应机理详细的研究表明, 载体α G M o C与P t之间存在 着强的相互作用, 在较低担载量时P t在α G M o C表面呈原子级分布状态, 使贵金属P t的原子利用率 达到最高.P t / α G M o C表面甲醇水液相重整是一个双中心反应.其中, 甲醇和水的氧氢键解离发生 在α G M o C载体上, 原子级分散的 P t催化甲醇的碳氢键解离;

甲醇解离产物 C O 在PtGMo界面处与 高表面覆盖度的羟基发生高效水汽迁移反应生成 C O 2.该研究成果为氢气的低温制备、 高效存储 运输提供了全新的思路. [ 关键词] 单原子铂 碳化钼;

低温甲醇水重整;

原位产氢;

氢气制备与存储

1 研究背景 氢能是一种公认的高热值清洁能源, 高位发热 值达1.

4 2*1

0 2 M J / k g , 约是汽油发热值的3倍, 因 此被称为 能源货币 [

1 ] .在2 0世纪7 0年代第一次 石油危机期间, 氢经济( H y d r o g e nE c o n o m y ) 的概念 被首次提出并推广, 目标是希望在不远的将来利用 氢气作为支撑全球经济的主要能源, 将目前能源循 环所依赖的高污染高排放的碳循环, 逐步过渡成清 洁高效低排放的氢循环[

2 ] .氢能应用循环主要包括 3个环节, 即: (

1 )氢燃料的制备;

(

2 )氢燃料的存储 和输运;

( 3)通过氢燃料电池实现化学能到电能的 转变.在氢燃料制备方面, 从全球来看, 目前主要的 制氢原料9 6%以上来源于传统能源的化学重整( 其中4 8%来自天然气重整、

3 0% 来自醇类重整、

1 8% 来自焦炉煤气) , 4%左右来源于电解水.由于能源 结构的原因, 我国的氢气来源主要是焦炉煤气制氢, 所制得的氢气含有较多的一氧化碳和一定量的硫化 物, 制氢过程耗时长、 对环境污染严重.而氢气的运 输和存储则主要通过特制的高压储罐或管道运输气 态或液态氢.例如, 目前丰田商业化的氢燃料电池 汽车就是使用容量约为1

2 0L, 压力高达7

0 0b a r的 两个钢瓶来携带氢气.虽然存储和运输过程经过严 格的安全测试, 但其安全性仍存在质疑.与此同时, 氢燃料电池被认为是最具潜力的新一代氢能利用系 统, 被广泛用于航空航天等尖端领域, 并被认为是未 来汽车以及其他便携设备重要的候选动力系统[ 3, 4] , 但燃料电池对所用氢气的纯度要求较高, 同时其长 时间工作需要持续稳定的氢燃料供给.因此, 如何 实现氢气的廉价易得及安全高效的存储运输成为限 第4期 林丽利等:低温高效甲醇水液相重整产氢催化剂的开发与研究