鈷基鈣鈦礦型電催化劑的優(yōu)化和電化學(xué)性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-07-27 19:14
能源問題關(guān)乎人類的可持續(xù)發(fā)展。隨著化石燃料的過度使用,環(huán)境污染、全球氣候變暖和溫室效應(yīng)等問題顯著突出。人類迫切需要尋找安全的、綠色的新型清潔能源。電解水是主要的制氫途徑之一,在堿性溶液中,析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較為緩慢,從而需要額外的過電位。而目前使用的高性能催化劑主要采用貴金屬,其不僅價(jià)格較高,穩(wěn)定性也不能滿足商業(yè)化的需要。因此,開發(fā)廉價(jià)、高催化活性以及高穩(wěn)定性的電催化劑是實(shí)現(xiàn)高效制氫的關(guān)鍵。鈣鈦礦型氧化物是一類原料便宜、儲(chǔ)量豐富和結(jié)構(gòu)多樣的多元氧化物。本文旨在通過元素A/B位摻雜方法以優(yōu)化鈣鈦礦結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦型氧化物高效催化析氫（HER）。具體的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:（1）通過P元素原位B位晶格摻雜和非原位表面改性制備了Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)0.95P0.05O3-δ(BSCFP0.05)和BSCFP-Ⅲ(NaH2PO2對(duì)Ba0.5
【文章來源】：暨南大學(xué)廣東省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：94 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
氫循環(huán)[9]
暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文2氫能作為一種理想的清潔能源，具有重量輕、能量高、熱值高、無污染、應(yīng)用廣等優(yōu)勢(shì)[10]。此外，氫能在能量與轉(zhuǎn)換中可被循環(huán)利用，具有可再生性，如圖1-1。因此，氫能具有其它新能源無法比擬的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[11,12]。為盡早實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模的生產(chǎn)和使用，關(guān)鍵點(diǎn)在于開發(fā)出高效、穩(wěn)定和廉價(jià)的催化劑。1.2氫氣的制備1.2.1化石能源制氫目前，全球制氫主要依靠從化石燃料中提取氫，而大部分氫是從天然氣和其他化石燃料制備[13]。如圖1-2所示，96%的氫能是由化石燃料（如天然氣、石油和煤）直接制備的，僅僅約4%的氫是通過電解水生產(chǎn)。圖1-2.氫能的來源[14]Figure1-2.Currentsourcesofhydrogen[14]1.2.1.1天然氣制氫天然氣是一種主要由甲烷組的烴類氣體混合物。目前，天然氣制氫的主要方法包括天然氣水蒸汽重整法和天然氣部分氧化重整法[13]。天然氣水蒸汽重整是最常見的制氫工藝，采用鎳催化劑把天然氣和水蒸氣在800~900°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行催化，其對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)如式1-1和式1-2所示，產(chǎn)物主要為氫氣、一氧化碳以及二氧化碳混合氣[15]。422CH+HOCO+3H1-1222CO+HOCO+H1-2天然氣水蒸汽重整過程能耗高，而且在產(chǎn)氫氣過程中伴隨著大量的有害副產(chǎn)物二氧化碳的產(chǎn)生[13,16]。此外，該反應(yīng)會(huì)放出大量熱量，需要耐高溫、保溫效果好的
暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文3材料作為反應(yīng)器裝置[17]。天然氣部分氧化重整法又包括非催化部分氧化法和催化部分氧化法[18]，其主要的反應(yīng)式如式1-3所示。非催化部分氧化法以甲烷和氧氣混合體為原料，在1000~1500°C的高溫下進(jìn)行，得到氫氣/一氧化碳比為1.6~1.8；反應(yīng)強(qiáng)放熱，因此出口溫度可高達(dá)1400°C，導(dǎo)致對(duì)反應(yīng)器材質(zhì)的要求高且需要復(fù)雜的熱回收裝置來吸收反應(yīng)熱[19]。與非催化部分氧化法相比，催化部分氧化法是一種放熱溫和的制氫途徑，在反應(yīng)體系中加入催化劑后其操作溫度在750~800°C，且反應(yīng)接觸時(shí)間短（<10-2s）和產(chǎn)物選擇性高，最終生成氫氣/一氧化碳比接近2的合成氣。但是該方法存在催化劑失活和反應(yīng)裝置積碳的問題。422CH+1/2OCO+2H1-31.2.1.2煤炭制氫我國(guó)煤炭資源較為豐富，因此使用煤氣化制氫是一種成本較低的制氫方法。煤氣化是指煤在一定的溫度、壓力條件下，得到以氫氣和一氧化碳為主的化學(xué)反應(yīng)[20]。氣化后的產(chǎn)物經(jīng)過凈化、一氧化碳變換和分離、提純等處理步驟后可獲得一定純度的氫氣[2]，典型的制氫過程如圖1-3所示[21]。但煤氣化制氫也存在較多的缺點(diǎn)，如生成大量的二氧化碳，另外高溫下的氫氣凈化和分離具有較大的挑戰(zhàn)性[22]。在煤氣化制氫中，所涉及的主要反應(yīng)如下：22C+HOCO+H1-4222CO+HOCO+H1-5圖1-3.煤氣化制化學(xué)品示意圖[21]Figure1-3.Schematicdiagramshowinghowvariouschemicalsareproducedfromcoalgasification[21]
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水電解制氫非貴金屬催化劑的研究進(jìn)展[J]. 常進(jìn)法,肖瑤,羅兆艷,葛君杰,劉長(zhǎng)鵬,邢巍. 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2016(07)
[2]能源革命:從化石能源到新能源[J]. 鄒才能,趙群,張國(guó)生,熊波. 天然氣工業(yè). 2016(01)
[3]我國(guó)中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展中氫能消費(fèi)量及CO2減排效果估算[J]. 馬濤,孫佰清,郭海鳳,吉潔,姜明輝. 太陽能學(xué)報(bào). 2010(11)
[4]甲烷催化部分氧化制合成氣研究新進(jìn)展[J]. 路勇,沈師孔. 石油與天然氣化工. 1997(01)
本文編號(hào)：3306380
【文章來源】：暨南大學(xué)廣東省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：94 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
氫循環(huán)[9]
暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文2氫能作為一種理想的清潔能源，具有重量輕、能量高、熱值高、無污染、應(yīng)用廣等優(yōu)勢(shì)[10]。此外，氫能在能量與轉(zhuǎn)換中可被循環(huán)利用，具有可再生性，如圖1-1。因此，氫能具有其它新能源無法比擬的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[11,12]。為盡早實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模的生產(chǎn)和使用，關(guān)鍵點(diǎn)在于開發(fā)出高效、穩(wěn)定和廉價(jià)的催化劑。1.2氫氣的制備1.2.1化石能源制氫目前，全球制氫主要依靠從化石燃料中提取氫，而大部分氫是從天然氣和其他化石燃料制備[13]。如圖1-2所示，96%的氫能是由化石燃料（如天然氣、石油和煤）直接制備的，僅僅約4%的氫是通過電解水生產(chǎn)。圖1-2.氫能的來源[14]Figure1-2.Currentsourcesofhydrogen[14]1.2.1.1天然氣制氫天然氣是一種主要由甲烷組的烴類氣體混合物。目前，天然氣制氫的主要方法包括天然氣水蒸汽重整法和天然氣部分氧化重整法[13]。天然氣水蒸汽重整是最常見的制氫工藝，采用鎳催化劑把天然氣和水蒸氣在800~900°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行催化，其對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)如式1-1和式1-2所示，產(chǎn)物主要為氫氣、一氧化碳以及二氧化碳混合氣[15]。422CH+HOCO+3H1-1222CO+HOCO+H1-2天然氣水蒸汽重整過程能耗高，而且在產(chǎn)氫氣過程中伴隨著大量的有害副產(chǎn)物二氧化碳的產(chǎn)生[13,16]。此外，該反應(yīng)會(huì)放出大量熱量，需要耐高溫、保溫效果好的
暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文3材料作為反應(yīng)器裝置[17]。天然氣部分氧化重整法又包括非催化部分氧化法和催化部分氧化法[18]，其主要的反應(yīng)式如式1-3所示。非催化部分氧化法以甲烷和氧氣混合體為原料，在1000~1500°C的高溫下進(jìn)行，得到氫氣/一氧化碳比為1.6~1.8；反應(yīng)強(qiáng)放熱，因此出口溫度可高達(dá)1400°C，導(dǎo)致對(duì)反應(yīng)器材質(zhì)的要求高且需要復(fù)雜的熱回收裝置來吸收反應(yīng)熱[19]。與非催化部分氧化法相比，催化部分氧化法是一種放熱溫和的制氫途徑，在反應(yīng)體系中加入催化劑后其操作溫度在750~800°C，且反應(yīng)接觸時(shí)間短（<10-2s）和產(chǎn)物選擇性高，最終生成氫氣/一氧化碳比接近2的合成氣。但是該方法存在催化劑失活和反應(yīng)裝置積碳的問題。422CH+1/2OCO+2H1-31.2.1.2煤炭制氫我國(guó)煤炭資源較為豐富，因此使用煤氣化制氫是一種成本較低的制氫方法。煤氣化是指煤在一定的溫度、壓力條件下，得到以氫氣和一氧化碳為主的化學(xué)反應(yīng)[20]。氣化后的產(chǎn)物經(jīng)過凈化、一氧化碳變換和分離、提純等處理步驟后可獲得一定純度的氫氣[2]，典型的制氫過程如圖1-3所示[21]。但煤氣化制氫也存在較多的缺點(diǎn)，如生成大量的二氧化碳，另外高溫下的氫氣凈化和分離具有較大的挑戰(zhàn)性[22]。在煤氣化制氫中，所涉及的主要反應(yīng)如下：22C+HOCO+H1-4222CO+HOCO+H1-5圖1-3.煤氣化制化學(xué)品示意圖[21]Figure1-3.Schematicdiagramshowinghowvariouschemicalsareproducedfromcoalgasification[21]
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水電解制氫非貴金屬催化劑的研究進(jìn)展[J]. 常進(jìn)法,肖瑤,羅兆艷,葛君杰,劉長(zhǎng)鵬,邢巍. 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2016(07)
[2]能源革命:從化石能源到新能源[J]. 鄒才能,趙群,張國(guó)生,熊波. 天然氣工業(yè). 2016(01)
[3]我國(guó)中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展中氫能消費(fèi)量及CO2減排效果估算[J]. 馬濤,孫佰清,郭海鳳,吉潔,姜明輝. 太陽能學(xué)報(bào). 2010(11)
[4]甲烷催化部分氧化制合成氣研究新進(jìn)展[J]. 路勇,沈師孔. 石油與天然氣化工. 1997(01)
本文編號(hào)：3306380
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