纳米锌粉制氢的研究

论文摘要

从能源安全和经济发展的需要考虑,氢能将成为能源发展的历史必然。近年来随着纳米科学的飞速发展,纳米技术与专业技术不断交叉结合,在诸多领域都体现出巨大的优越性能。在氢能开发中,纳米技术的应用也将带来更多的机遇和巨大的潜力。纳米锌粉制氢具有三点优势: (1)纳米颗粒的小尺寸效应和高的表面积,可降低反应温度,提高反应速率;(2)纳米颗粒的高比表面积,可促进热量和质量传递过程,有利于发生完全或近乎完全的氧化作用; (3)纳米颗粒在气流中易于夹带,可以简单、连续且可控地进出料,有利于工业化应用。利用纳米锌粉的独特优势设计制氢方案:利用滚压振动磨制备片状纳米锌粉,使其在较低温度下与水蒸气接触反应,水分子中的氧与纳米锌粉结合生成氧化锌,同时生成氢气。首先设计出一套简易的试验装置进行可行性试验,对纳米锌粉与水蒸气接触、发生反应后生成的气体产物进行采样和气相色谱检测,确认是否发生水解反应生成氢气。对固体产物进行透射电镜分析,观察形貌特征和颗粒大小;用能量发射谱仪检测能量发射谱图,分析固体产物所含元素,确认是否发生水解反应生成氧化锌。可行性试验经确认后,开始对纳米锌粉制氢的水解反应进一步研究,例如:研磨时间、氩气流量和反应温度对纳米锌粉制氢水解反应的影响。结果发现利用滚压振动磨研磨11h的纳米锌粉,在氩气流量为5L/min时,反应温度为275℃时与水蒸气接触,发生水解反应制取氢气的效果最好。在反应第20分钟时实际的氢气生成速率约可达178ml/min,远高于国外文献中的最高氢气生成速率1mg/min,即11.2ml/min。在纳米锌粉制氢试验研究的基础上,考虑到实际应用的问题,设计出适合纳米锌粉制氢水解反应的旋转流场反应器,并实际地操作应用以验证其性能。结果表明,旋转流场反应器大大缩短了水解反应的时间,纳米锌粉转化率亦可达89%左右。说明旋转流场反应器实现了纳米锌粉与水蒸气的快速而充分的接触,有利于纳米锌粉制氢反应的发生,针对旋转流场反应器提出了可能的优化方向以及与太阳能结合的潜力,为纳米锌粉制氢的进一步研究打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米相关概念
• 1.1.2 纳米材料的特性
• 1.1.3 纳米材料的应用
• 1.1.4 纳米锌粉的制备
• 1.1.5 纳米锌粉的应用
• 1.2 纳米锌粉制备的国内外现状
• 1.3 氢能概述
• 1.3.1 氢能的概念
• 1.3.2 氢能的优势
• 1.3.3 氢能的制备
• 1.4 氢能制备的国内外现状
• 1.4.1 以水为原料的制氢方法
• 1.4.2 以矿物燃料为原料的制氢方法
• 1.4.3 生物质制氢等其他制氢方法
• 1.4.4 各种化工过程副产氢气的回收
• 1.4.5 纳米锌粉制氢方法的提出
• 1.5 课题研究意义
• 1.6 课题主要研究内容
• 第二章 纳米锌粉制氢的可行性试验
• 2.1 检测仪器
• 2.2 纳米锌粉的制备与表征
• 2.2.1 纳米锌粉的制备
• 2.2.2 纳米锌粉的表征
• 2.2.3 纳米锌粉制氢的依据
• 2.3 试验装置的设计
• 2.4 可行性试验
• 2.4.1 操作与现象
• 2.4.2 问题与解决
• 2.4.3 发现与经验
• 2.5 产物表征与分析
• 2.5.1 气体产物的表征
• 2.5.2 固体产物的表征
• 2.5.3 分析与讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 纳米锌粉制氢的研究
• 3.1 检测仪器
• 3.2 纳米锌粉的制备与表征
• 3.2.1 纳米锌粉的制备
• 3.2.2 纳米锌粉的表征
• 3.3 纳米锌粉制氢试验设计
• 3.3.1 试验影响因素
• 3.3.2 试验方案设计
• 3.4 纳米锌粉制氢的试验研究
• 3.4.1 研磨时间的影响
• 3.4.1.1 数据与处理
• 3.4.1.2 结果与分析
• 3.4.2 氩气流量的影响
• 3.4.2.1 数据与处理
• 3.4.2.2 结果与分析
• 3.4.3 反应温度的影响
• 3.4.3.1 数据与处理
• 3.4.3.2 结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 纳米锌粉制氢设备的设计与应用
• 4.1 纳米锌粉制氢设备的设计
• 4.2 反应器的设计
• 4.2.1 反应器的设计要求
• 4.2.2 反应器流场的选择
• 4.2.3 反应器的结构设计
• 4.2.4 反应器示意图
• 4.3 反应器的实际应用
• 4.3.1 反应器的操作
• 4.3.2 数据与处理
• 4.3.3 结果与分析
• 4.3.4 问题与优化
• 4.4 纳米锌粉制氢的设备与流程
• 4.5 纳米锌粉制氢与太阳能的结合
• 4.5.1 太阳能概述
• 4.5.2 太阳能-氢能转换
• 4.5.3 纳米锌粉制氢与太阳能的结合
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目
• 致谢