电催化水蒸汽重整生物油及乙醇制氢的基础应用研究

论文摘要

生物质是一种资源丰富、环境友好的可再生资源,生物质制氢是最具发展潜力的新的制氢途径之一,生物质制氢尚处于研发阶段,提高氢气产率和能量效率、降低制氢成本以及减少催化剂失活等是生物质制氢研发过程中尚待解决的关键问题。本论文提出了一种有效的制氢新方法:电催化水蒸气重整制氢方法（即催化剂中通入一定电流）,主要研究内容和创新性结果包括:（1）发明了电催化水蒸汽重整生物油制取氢气的装置及方法,实现了在450-550℃中温条件下即可获得很高的氢产率（75%-96%）和生物油转化率（73%-98%）;（2）研究了催化剂的微观结构与生物油转化率间的关系,并研究了生物油水蒸汽电催化重整制氢反应机理;（3）研究了电催化方法在乙醇重整制氢中的应用;（4）研究了适合生物油水蒸汽重整制氢催化剂Ni-Cu-Ce-Mg-Al。具体结果如下:一、生物油电催化水蒸气重整制氢过程和机理采用浸渍法制备了生物油重整制氢催化剂NiO-Al2O3,研究了重整温度、电流、S/C、以及空速等对生物油转化率、氢产率以及产物分布的影响,结果发现,电流明显地影响了氢产率、碳转化率以及产物分布。电流的通入使生物油转化率和氢气产率都大大提高了,并且增大了H2和CO的百分含量,而降低了CH4和CO2的百分含量,例如在T=400℃,S/C=5.8,GHSV=6048h-1和P=1 atm.的条件下,I=OA时,氢产率和碳转化率分别为13.1%和14.7%,H2,CO,CH4,CO2的百分含量分别为57.2%、5.8%、3.4%和26.3%,而当通入电流为3.SA,其它条件不变时时,氢产率和碳转化率分别增大到60.7%和72.7%;H2和CO的百分含量增大到67.9%和8.3%,而CH4和CO2的百分含量降低到0.4%和22.6%。为了弄清生物油电催化水蒸气重整制氢机理,我们研究了在低压条件下模型化合物（如乙醇）的解离反应和重整反应,用时间飞行质谱检测到电催化条件下热电子脱附,发现电流增强的分子解离反应和重整反应与催化剂表面热电子相关:此外,应用XRD、XPS、BET、SEM、FT-IR等一系列表征手段,分析了电催化重整生物油制氢的过程中催化剂的结构和特性变化。通过上述研究,热电子在重整或均相裂解过程中起到了促进或诱导反应物分子解离的作用,从而导致了氢产率和碳转化率的提高。二、乙醇电催化水蒸气重整制氢过程和机理采用Ni-Al2O3催化剂,研究了电催化水蒸气重整乙醇制氢的过程,研究了重整温度和电流等对乙醇转化率、氢产率以及产物选择性的影响。结果发现,电流很大程度上影响了氢产率、碳转化率以及产物分布。电流的通入使氢气产率和乙醇转化率都大大提高了,电流的通入增大了H2和.CO的选择性,而降低了CH4和CO2的选择性,例如在T=400℃,水/L醇=2:1（体积比）,LHSV=1.8h-1和P=1 atm.的条件下,没有电流时,氢产率和碳转化率分别为1.66mol和98.2%,H2,CO,CH4,CO2选择性分别为48.9%、0.63%、45.7%和60.3%,而当通入电流为3.2A,其它条件不变时,氢产率和碳转化率分别增大到3.45mol和99.9%:H2和CO的选择性增大到72.7%和7.65%,而CH4和CO2的选择性降低到33.3%和59.3%。另外还研究了石英砂床内乙醇的均相裂解实验。结果表明,电流的加入明显提高了氢产率和乙醇转化率,并导致产物选择性有很大的变化,电流增大了H2,CO,CH4的选择性,而降低了C2H4O,H2O,C2H4的选择性。通过对对催化剂反应前后,以及有无电流的情况下的表征结果,包括XRD、XPS、BET、TEM等,结合常压裂解和低压裂解实验,分析了电催化重整乙醇制氢的过程机理。三、生物油重整制氢催化剂Ni-Cu-Ce-Mg-Al的研究研发了适合生物油重整制氢的催化剂,该催化剂具有较高的催化活性和较高的比表面。在S/C为6.9,GHSV为10500 h-1,温度为400℃,电流为3.1A的条件下,氢产率达到92.4%,碳转化率达到93.6%,催化剂连续工作20小时后,氢气产率和生物油转化率几乎没有变化。通过BET、XRD、XPS等表征手段对催化剂的结构性能以及在反应前后和有无电流的情况下的变化进行了初步分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 研究背景
• 1.1 前言
• 1.2 氢能源的提取方式
• 1.2.1 生物质
• 1.2.2 生物质制氢
• 1.2.3 生物油制氢
• 1.2.3.1 生物油成分及性质
• 1.2.3.2 生物油催化裂解制氢研究进展
• 1.2.3.2.1 生物油水蒸汽重整制氢反应路径
• 1.2.3.2.2 生物油水蒸汽重整制氢的催化剂
• 1.2.4 生物质乙醇水蒸气重整制氢反应的研究
• 1.2.4.1 乙醇水蒸气重整制氢的反应路径
• 1.2.4.2 乙醇水蒸气重整制氢的热力学和动力学的研究
• 1.2.4.3 乙醇水蒸气重整制氢的催化剂
• 1.2.4.4 乙醇水蒸气重整制氢的机理研究
• 1.3 本文的新进展
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 催化剂的制备
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 催化剂的制备
• 2O₃催化剂'>2.1.2.1 浸渍法制备NiO/Al₂O₃催化剂
• 2O₃催化剂'>2.1.2.2 共沉淀法制备NiCuMgCe/Al₂O₃催化剂
• 2O₄催化剂'>2.1.2.3 共沉淀法制备NiAl₂O₄催化剂
• 2.2 催化剂的活性评价
• 2.2.1 实验装置及温度分布
• 2.2.2 反应系统评价指标
• 2.2.2.1 生物油制备及性质
• 2.2.2.2 生物油反应系统及评价指标
• 2.2.2.3 乙醇催化重整评价指标
• 2.3 催化剂的表征
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）表征
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）测试
• 2.3.3 傅立叶变换红外光谱（FT-IR）测试
• 2.3.4 高分辨扫描电镜（SEM）
• 2.3.5 高分辨透射电镜（TEM）测试
• 2.3.6 BET-surface area（比表面）分析
• 2.3.7 时间飞行质谱（TOF-MS）检测
• 2-TPR（H₂-程序升温还原）测试'>2.3.8 H₂-TPR（H₂-程序升温还原）测试
• 2.3.9 感应耦合等离子体原子发射光谱（ICP/AES）测试
• 参考文献
• 第三章 电催化水蒸汽重整生物油制氢的研究
• 3.1 前言
• 3.2 重整参数对电催化重整生物油制氢的影响
• 3.2.1 重整温度和电流对碳转化率和氢产率的影响
• 3.2.2 重整温度和电流对产物组分的影响
• 3.2.3 空速,S/C对实验结果的影响
• 3.2.4 催化剂稳定性的测试
• 3.2.5 质量平衡的计算
• 3.2.6 NiO和Ni的区别
• 3.3 电流和温度对生物油裂解的影响
• 3.4 能量效率的估算
• 3.5 催化剂各种表征结果分析
• 3.5.1 X射线衍射（XRD）表征
• 3.5.2 X射线光电子能谱（XPS）测试
• 3.5.3 BET-surface area（比表面）分析
• 3.5.4 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）测试
• 3.5.5 高分辨扫描电镜（SEM）分析
• 3.5.6 时间飞行质谱对反应过程负离子中间体检测分析结果
• 3.6 电催化水蒸气重整生物油制氢机理的探讨
• 3.7 小结
• 参考文献
• 第四章 电催化水蒸气重整乙醇制氢的研究
• 4.1 前言
• 4.2 重整条件对乙醇重整制氢的影响
• 4.2.1 重整温度和电流对乙醇转化率和氢产率的影响
• 4.2.2 电流对乙醇重整产物选择性的影响
• 4.2.3 催化剂寿命的测试
• 4.2.4 质量平衡的计算
• 4.3 乙醇在石英砂床内的均相裂解
• 4.3.1 电流对乙醇裂解转化率和氢气产率的影响
• 4.3.2 电流对乙醇裂解产物选择性的影响
• 4.4 催化剂的表征结果讨论
• 4.4.1 XRD结果分析
• 4.4.2 TEM结果分析
• 4.4.3 BET结果分析
• 4.4.4 TOF结果分析
• 4.5 乙醇电催化重整机理探讨
• 4.6 小结
• 参考文献
• 2O₄催化剂上生物油重整制氢的研究'>第五章 NiCuMgCeAl以及NiAl₂O₄催化剂上生物油重整制氢的研究
• 5.1 前言
• 5.2 NiCuMgCeAl催化剂活性的测试
• 5.2.1 催化剂组分的筛选
• 5.2.2 重整参数对结果的影响
• 5.2.2.1 电流对碳转化率和氢产率的影响
• 5.2.2.2 电流对产物分布的影响
• 5.2.2.3 催化剂稳定性的测试
• 5.2.3 催化剂的表征结果与讨论
• 5.2.3.1 X射线衍射（XRD）表征
• 5.2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）测试
• 5.2.3.3 BET-surface area（比表面）分析
• 2O₄催化剂活性的测试'>5.3 NiAl₂O₄催化剂活性的测试
• 5.3.1 重整参数对结果的影响
• 2O₄催化剂的表征结果及分析'>5.3.2 NiAl₂O₄催化剂的表征结果及分析
• 5.3.2.1 X射线衍射（XRD）表征
• 2-TPR（H₂-程序升温还原）测试'>5.3.2.2 H₂-TPR（H₂-程序升温还原）测试
• 5.3.2.3 BET-surface area（比表面）分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 一、结论
• 二、工作展望
• 攻读博士学位期间发表文章和专利目录
• 致谢