中國粉體網(wǎng)訊 氫氣是一種理想的二次能源，根據(jù)質(zhì)量的不同，任何其他燃料在燃燒過程中釋放的能量都低于氫釋放的能量，CH4、汽油和煤的單位質(zhì)量熱值預(yù)計(jì)分別比H2低2.4、2.8和4倍。目前氫燃料電池已經(jīng)少量應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，而且隨著該產(chǎn)業(yè)的持續(xù)研究，在未來的人類生活中將會(huì)廣泛應(yīng)用。
氫氣制備方式
氫的供應(yīng)主要有2種途徑：一是采用壓縮氫氣(包括液態(tài)、氣態(tài))及儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫；二是通過化學(xué)方法現(xiàn)場制氫。從長遠(yuǎn)來看，由于資源的匱乏及環(huán)境保護(hù)的要求，利用可再生資源如生物質(zhì)乙醇、天然氣等碳?xì)淙剂现茪鋵⒊蔀橹饕闹茪浞绞�。�?dāng)前美國、加拿大、日本以及歐盟都在進(jìn)行對(duì)甲醇、乙醇、天然氣、柴油、汽油等燃料重整制氫技術(shù)的研發(fā)工作。
用于重整制氫的方式主要包括水蒸氣重整(SR)、部分氧化重整(POX)和自熱重整(ATR)制氫3種。SR是吸熱反應(yīng)，可用燃料電池排出的廢氣作為燃料提供反應(yīng)所需的熱源。但是SR反應(yīng)裝置復(fù)雜，需要外界供熱的問題一直困擾著該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。POX為放熱反應(yīng)，具有啟動(dòng)快、效率高和便于小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，但使用該方法的產(chǎn)品氣中氫純度較低，一氧化碳濃度過高。將SR和POX兩者有效地結(jié)合起來，即ATR是移動(dòng)制氫的重要發(fā)展方向。
陶瓷微反應(yīng)器
微反應(yīng)器是一種借助特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造的可用于化學(xué)反應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)單元，通常是指含有當(dāng)量直徑小于500μm的流體通道的反應(yīng)器。在這種狹窄的流體通道中，動(dòng)邊界層厚度大大減小，平均熱、質(zhì)擴(kuò)散距離大幅度縮短，使得微通道內(nèi)的燃料重整能夠利用快速表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的固有特性，通過微通道表面形成的高活性催化劑達(dá)到加快催化反應(yīng)的目的。
按照材質(zhì)，微反應(yīng)器可分為陶瓷基、金屬基和高分子基微反應(yīng)器等。陶瓷材料因具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫、高機(jī)械強(qiáng)度和重腐蝕等苛刻環(huán)境下，具有比金屬等傳統(tǒng)材料更優(yōu)越的性能。陶瓷材料制備的微反應(yīng)器不僅具備微化工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還便于催化劑的負(fù)載和實(shí)現(xiàn)氣液固三相反應(yīng)。
陶瓷基多孔光催化膜微反應(yīng)器
1、氧化鋁陶瓷微反應(yīng)器
氧化鋁陶瓷加工工藝較簡單，是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷制品耐高溫、抗腐蝕，能長期在1600℃的溫度下使用，制備所用粉料粒徑小且分布均勻，可滿足陶瓷基微反應(yīng)器的加工要求，但是氧化鋁高溫?zé)Y(jié)易收縮變形，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)成型率低。
2、碳化硅陶瓷微反應(yīng)器
碳化硅陶瓷是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，能夠在1200～1400℃中仍保持高的抗彎強(qiáng)度，也是目前高溫強(qiáng)度最高的陶瓷。碳化硅優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性彌補(bǔ)了氧化鋁陶瓷脆性大、導(dǎo)熱差的缺陷。碳化硅陶瓷易于機(jī)械加工，是目前商業(yè)陶瓷微反應(yīng)器制備的主要材料。
陶瓷微反應(yīng)器制氫系統(tǒng)組成
利用碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成氫氣的重整制氫系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：換熱器(氣化、傳熱等)、燃燒加熱器(或電加熱)、重整反應(yīng)器(POX、SR、ATR)、CO去除裝置。如果氫氣提供給燃料電池堆，同樣，燃料電池陽極排放的廢氣作為催化燃燒單元的燃料，為氣化和合成氣轉(zhuǎn)化單元提供反應(yīng)所需的熱量。
重整催化制氫研究狀況
1、重整催化制氫反應(yīng)機(jī)理
以乙醇水蒸氣重整反應(yīng)制氫為例，其反應(yīng)原理為：
CH3CH2OH+H2O—4H2+2CO
CH3CH2OH+3H2O—6H2+2CO2
目前，乙醇水蒸氣重整制氫的主要研究工作是從熱力學(xué)上對(duì)反應(yīng)進(jìn)行分析，由于這個(gè)反應(yīng)體系非常復(fù)雜，副反應(yīng)也比較多，對(duì)其反應(yīng)機(jī)理還不是非常明確。一般認(rèn)為的機(jī)理主要有如下兩種：
（1）醇脫氫生成乙醛和氫氣，部分乙醛會(huì)繼續(xù)和表面的氧作用生成乙酸鹽形式，然后進(jìn)行分解生成CH4和CO2，部分的乙醛會(huì)直接進(jìn)行裂解生成CH4和CO。CO發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成CO2和H2，CH4發(fā)生重整反應(yīng)生成碳的氧化物和H2。當(dāng)然有部分的CO在表面富氧的條件下直接氧化為CO2。
（2）乙醇脫水生成乙烯和氫氣，部分乙烯快速發(fā)生重整反應(yīng)，生成CO和H2，部分直接脫附，存在于產(chǎn)物中。CO發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成CO2和H2。其中反應(yīng)的活性位大部分為金屬原子，但不同的載體有時(shí)提供不同的吸附位。
2、重整制氫催化劑研究進(jìn)展
以乙醇為例，對(duì)于乙醇重整催化劑的選擇，目前主要分為三類：
（1）Ru、Rh、Pd等貴金屬；
（2）Cu、Ni、Co等非貴金屬；
（3）其他催化劑。
陶瓷材料具有耐高溫、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，部分陶瓷材料還是優(yōu)良的催化劑載體。利用陶瓷來制作微陶瓷反應(yīng)器，特別適合研究在高溫下的微反應(yīng)，以及氣相催化反應(yīng)等，用多孔陶瓷孔道內(nèi)催化劑的負(fù)載和結(jié)構(gòu)特征對(duì)甲醇、乙醇重整制氫就是個(gè)非常有潛力的應(yīng)用。
中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時(shí)，來自湖南大學(xué)的肖漢寧教授帶來題為《多孔陶瓷微反應(yīng)器制備及其在重整制氫中的應(yīng)用》的報(bào)告。肖漢寧教授將在報(bào)告中展示不同孔徑和孔結(jié)構(gòu)碳化硅和氧化鋁陶瓷微反應(yīng)器的制備技術(shù)，探討了多孔陶瓷孔道內(nèi)催化劑的負(fù)載量和結(jié)構(gòu)特征對(duì)甲醇、乙醇重整制氫在不同溫度下的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)氫量的影響，為大功率長續(xù)航氫燃料電池汽車的發(fā)展提供了新的技術(shù)路線。（鑒于當(dāng)前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計(jì)劃參會(huì)的單位可以聯(lián)系會(huì)務(wù)組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時(shí)間通知您！）
專家介紹：
肖漢寧，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，陶瓷研究所所長，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。1991年在湖南大學(xué)獲博士學(xué)位，1994-1995留學(xué)日本，從事博士后研究。1995年晉升為教授�，F(xiàn)任中國硅酸鹽學(xué)會(huì)理事，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)工程陶瓷專業(yè)委員會(huì)理事長，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工陶瓷專業(yè)委員會(huì)副主任，湖南省硅酸鹽學(xué)會(huì)副理事長等�！稛o機(jī)材料學(xué)報(bào)》、《硅酸鹽學(xué)報(bào)》、《功能材料》等雜志編委。
肖漢寧教授長期從事先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷、多孔陶瓷、高性能陶瓷膜、結(jié)構(gòu)-功能一體化陶瓷、微晶玻璃等研究。先后主持國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國家863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、政府間國際科技合作和國防軍工等國家和省部級(jí)科研項(xiàng)目30多項(xiàng)。研究成果先后獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文280多篇，出版《高性能結(jié)構(gòu)陶瓷及其應(yīng)用》專著1本，獲授權(quán)發(fā)明專利30多項(xiàng)。
參考來源：
[1]李吉?jiǎng)偟?微反應(yīng)器在重整制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用與進(jìn)展
[2]李永恒等.氫氣制備技術(shù)的研究進(jìn)展
[3]劉潤陽等.陶瓷基微反應(yīng)器制備的研究進(jìn)展
[4]王俊.陶瓷微反應(yīng)器的制作以及高溫氣相催化微反應(yīng)的研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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