本文關鍵詞： 制氫 硫碘循環(huán) HI分解 催化 碳材料 量子化學　出處：《浙江大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著化石能源的枯竭及在利用過程中帶來的污染,可再生能源開始受到人們的重視。氫能由于來源豐富、利用方式多樣、能量密度高等優(yōu)點,被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉�。如何大�?guī)模制取氫氣是目前氫能發(fā)展中的障礙,而熱化學硫碘循環(huán)分解水制氫將極有可能成為這一障礙的突破口。熱化學硫碘循環(huán)分解水制氫過程主要包括下面3個反應： Bunsen反應：I2+SO2+2H2O=2HI+H2SO4 H2SO4分解反應：H2SO4=SO2+H2O+1/2O2 H1分解反應：2HI=H2+12 HI的分解反應是循環(huán)中的關鍵步驟,然而HI均相分解率極低,因此對其催化劑的研究有著重要意義。在之前的HI催化分解研究中,研究人員開發(fā)出了一系列催化劑,并對其活性機理進行研究評價,主要包括貴金屬負載型催化劑,過渡金屬負載型催化劑,以及既能充當載體又能作為催化劑本身的活性炭。在活性炭的催化特性研究中,研究人員對其制備和改性方法做了大量工作,得到了較為完備的結論,但是在其機理方面仍然沒有準確定論。本文通過實驗以及量子化學模擬的方法,得到了HI在碳材料上的催化分解機理,并且對未來碳材料催化劑開發(fā)提出了改進方向。同時,在對碳材料的表征中提出了多種對炭結構進行量化分析的手段,在量子化學計算中得到了HI在炭結構上催化分解的完整過程。 我們選取了活性炭、碳分子篩、炭黑、碳納米管四種材料作為H1分解的催化劑,對其催化活性進行評價,同時對材料進行一系列表征實驗。在催化劑活性評價中,活性炭的活性最高,然后依次是碳分子篩,炭黑,碳納米管。在表征中,我們發(fā)現(xiàn)炭結構是能把碳材料的各種性質串聯(lián)起來的重要特征因素,炭結構由微晶石墨與無序炭兩種結構組成。通過多種表征方法,我們對炭結構進行了量化分析,發(fā)現(xiàn)碳分子篩中微晶石墨尺寸最小,但是其微晶石墨所占比也最小,因而其結構中的邊緣碳原子數(shù)量少于活性炭中邊緣碳原子數(shù)量。將表征與活性評價結果相結合,我們認為碳材料中的邊緣碳原子數(shù)量與其催化活性存在著正相關關系,邊緣碳原子數(shù)量越多,催化劑活性越高。邊緣碳原子是HI催化分解中的活性位,并且其數(shù)量決定于微晶石墨的尺寸以及其在炭結構中所占比例。 在量子化學研究中,首先對HI均相分解中的三個基元反應進行量子化學計算,計算的結果同之前的模擬結果非常接近,證明了量子化學方法的適用性。接下來,我們對HI以及12在鋸齒型和扶手型兩種不同炭結構上的吸附特性進行了研究,結果證明,HI與12更容易吸附在鋸齒型結構上�；谖教匦缘慕Y果,我們對HI在鋸齒型結構上的分解過程進行了模擬計算,得到了HI在鋸齒型結構上的催化分解機理過程,并發(fā)現(xiàn)12與H2分子的脫附是整個催化反應速率的決定步驟。量子化學的結果也能很好的同實驗結果相佐證,反應后催化劑的XPS表征結果證明了反應后炭結構發(fā)生了改變。Ni/MWCNT催化活性相比MWCNT有了很大程度提高,證明過渡金屬的加入能降低H2脫附過程中的能壘,從而提高催化分解反應速率。
[Abstract]:With the depletion of fossil energy and the pollution caused by the utilization of fossil energy , renewable energy begins to be valued . Hydrogen can be regarded as the most developing clean energy source because of its abundant source , diverse use methods and high energy density . How to produce hydrogen in large scale is the obstacle in the development of hydrogen energy . Bunsen Reaction : I2 + SO2 + H2 O = 2HI + H2SO4 H2SO4 decomposition reaction : H2SO4 = SO2 + H2O + 1 / 2O2 H1 decomposition reaction : 2HI = H2 + 12 The decomposition reaction of HI is the key step in the cycle , however , the decomposition rate of HI is very low . In the previous research of HI catalytic decomposition , the researchers have developed a series of catalysts and studied the activity mechanism of the catalyst . In the study of the catalytic properties of activated carbon , the catalytic decomposition mechanism of HI on carbon material is obtained . Carbon molecular sieves , carbon black , carbon black and carbon nanotubes were selected as catalysts for H1 decomposition , and the catalytic activity was evaluated . The carbon molecular sieves , carbon black and carbon nanotubes were characterized . The carbon structure was characterized by the lowest number of carbon molecular sieves , carbon black and carbon nanotubes . In the quantum chemistry study , the three elementary reactions in the decomposition of HI are calculated . The results are very close to the previous simulation results . The results show that HI and 12 are more easily adsorbed on the sawtooth - type structure . The results show that HI and 12 are more easily adsorbed on the sawtooth - type structure . Based on the results of the adsorption characteristics , the catalytic decomposition mechanism of HI on the sawtooth - type structure is proved .

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O643.36;TQ116.2

【參考文獻】

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2 趙鵬飛;郭欣;鄭楚光;;活性炭及氯改性活性炭吸附單質汞的機制研究[J];中國電機工程學報;2010年23期

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本文編號：1542622