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EWGS室温电化学水汽变换反应可常温常压、高效率制备高纯氢气

文章来源: admin     时间: 2019-07-11

  

目前工业上大规模制备氢气离不开高温高压以及目标产物的提纯。近日,我国科学家提出并实现了一种常温常压、高效率制备高纯氢气(大于99.99%)的新策略。相关论文发表在最新一期的《自然·通讯》杂志上。


氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。目前,水汽变换(WGS)反应(CO+H2O→H2+CO2)是工业上大规模制备氢气的主要方法。WGS过程通常需要在高温(180℃—250℃)和高压(1.0兆帕—6.0兆帕)的条件下进行。除了苛刻的反应条件,通过WGS反应制得的氢气往往含有约1%—10%的一氧化碳残留及反应产物二氧化碳和甲烷等,需要进一步分离纯化才能进行下游的应用。因此,发展更经济的、环境友好的方法,在温和条件下直接制备高纯氢气是氢能源发展的迫切需求。

EWGS室温电化学水汽变换反应可常温常压、高效率制备高纯氢气

中科院大连化物所催化基础国家重点实验室研究员邓德会团队,经过长期探索,结合电化学反应原理,巧妙地将WGS的氧化还原反应拆分为彼此分离的两个“半反应”,首次提出了一种能在常温常压下直接制备高纯氢气的电化学水汽变换概念:室温电化学水汽变换(EWGS)反应。在这个反应中,一氧化碳在阳极发生氧化反应,生成的二氧化碳与电解质氢氧化钾进一步反应生成碳酸钾,避免了二氧化碳的排放;同时水在阴极直接被还原生成高纯氢气。阴阳两极由阴离子交换膜分隔开,从而有效分隔两极产物,因此从原理上避免了传统WGS中氢气需要分离提纯的过程。


实验结果显示,通过对催化剂的设计和电极结构的优化,EWGS反应在常温常压条件下实现了99.99%的高纯氢制备。这与传统的WGS反应完全不同,为低能耗生产高纯氢气提供了新思路。


绿色化氢气的生产过程及相关项目进展


据外国媒体报道:在清洁氢气可以扩大规模之前,生产氢气仍然严重依赖化石燃料。现阶段,有三种主要的氢气来源:天然气、石油和煤炭。科学家现在希望改变这一事实,他们计划绿色化氢气的生产过程,以开启一种全新的经济模式,这已经在苏格兰的奥克尼群岛取得了小规模的成功。


希腊研究和技术中心的Souzana Lorentzou博士和负责HYDROSOL项目的科学家表示,从碳足迹低或零的工艺生产氢气是发展氢经济的核心。


该项目涉及在太阳能塔内产生氢气,该太阳能塔接收由围绕其倾斜的约100个镜子集中的太阳光。这种塔通常通过加热水来驱动汽轮机来发电,但Lorentzou博士和她的同事反而利用热量来驱动化学反应,将水分解成其组成元素,氧气和氢气。


除了最高温度之外,使这种反应变得可行还包括使用金属氧化物,其在过去被研磨成粉末。Lorentzou博士和她的同事却将金属氧化物制成由通道和毛孔网络组成的大单块,他们认为这些单块更有效。最近,研究人员试图通过调整现有的太阳能塔,即西班牙的Plataforma Solar de Almeria,在现实世界的情景中重复他们的成功。他们设法产生了一些氢气,但没有达到他们希望的那么多,因为它们不能产生足够高的温度。结果让人感觉到这个过程的潜力,虽然很有希望,但还需要进一步发展。


另一方面,意大利都灵理工大学的Debora Fino教授则在努力的利用沼气生产氢气。


在称为氧气蒸汽重整的过程中,沼气可以在热和蒸汽的存在下变成氢气,类似于已经从化石燃料产生氢气的方式。然而,与化石燃料方法不同,氧气蒸汽重整依赖于生态来源,并且当沼气氧化时,会自发的产生大量的热量。


面临的挑战是设计一种高效且足够紧凑的商业系统,以便可以在任何有沼气的地方安装。在他们目前的项目中,BioRoburplus,Fino教授及其同事正在通过预商用设备实现这一目标,其高效热集成和净化气流提高了效率。


事实上,苏格兰奥克尼群岛的一个名为BIG HIT的项目已经在开发一个小型的,独立的氢经济-有些人更喜欢称之为氢区。通过电解,风能和潮汐能可用于产生氢气。


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