中國粉體網(wǎng)訊  氫氣是一種理想的二次能源,，根據(jù)質(zhì)量的不同,，任何其他燃料在燃燒過程中釋放的能量都低于氫釋放的能量，CH4,、汽油和煤的單位質(zhì)量熱值預計分別比H2低2.4,、2.8和4倍。目前氫燃料電池已經(jīng)少量應(yīng)用于汽車領(lǐng)域,，而且隨著該產(chǎn)業(yè)的持續(xù)研究,，在未來的人類生活中將會廣泛應(yīng)用。

氫氣制備方式

氫的供應(yīng)主要有2種途徑：一是采用壓縮氫氣(包括液態(tài),、氣態(tài))及儲氫材料儲氫,；二是通過化學方法現(xiàn)場制氫。從長遠來看,，由于資源的匱乏及環(huán)境保護的要求,，利用可再生資源如生物質(zhì)乙醇、天然氣等碳氫燃料制氫將成為主要的制氫方式,。當前美國,、加拿大、日本以及歐盟都在進行對甲醇,、乙醇、天然氣,、柴油,、汽油等燃料重整制氫技術(shù)的研發(fā)工作。

用于重整制氫的方式主要包括水蒸氣重整(SR),、部分氧化重整(POX)和自熱重整(ATR)制氫3種,。SR是吸熱反應(yīng)，可用燃料電池排出的廢氣作為燃料提供反應(yīng)所需的熱源,。但是SR反應(yīng)裝置復雜,，需要外界供熱的問題一直困擾著該技術(shù)的實際應(yīng)用。POX為放熱反應(yīng),，具有啟動快,、效率高和便于小型化等諸多優(yōu)點,，但使用該方法的產(chǎn)品氣中氫純度較低，一氧化碳濃度過高,。將SR和POX兩者有效地結(jié)合起來,，即ATR是移動制氫的重要發(fā)展方向。

陶瓷微反應(yīng)器

微反應(yīng)器是一種借助特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造的可用于化學反應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)單元,，通常是指含有當量直徑小于500μm的流體通道的反應(yīng)器,。在這種狹窄的流體通道中，動邊界層厚度大大減小,，平均熱,、質(zhì)擴散距離大幅度縮短，使得微通道內(nèi)的燃料重整能夠利用快速表面反應(yīng)動力學的固有特性,，通過微通道表面形成的高活性催化劑達到加快催化反應(yīng)的目的,。

按照材質(zhì)，微反應(yīng)器可分為陶瓷基,、金屬基和高分子基微反應(yīng)器等,。陶瓷材料因具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫,、高機械強度和重腐蝕等苛刻環(huán)境下,，具有比金屬等傳統(tǒng)材料更優(yōu)越的性能。陶瓷材料制備的微反應(yīng)器不僅具備微化工技術(shù)的優(yōu)點,，還便于催化劑的負載和實現(xiàn)氣液固三相反應(yīng),。

陶瓷基多孔光催化膜微反應(yīng)器

1、氧化鋁陶瓷微反應(yīng)器

氧化鋁陶瓷加工工藝較簡單,，是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料,。氧化鋁陶瓷制品耐高溫、抗腐蝕,，能長期在1600℃的溫度下使用,，制備所用粉料粒徑小且分布均勻，可滿足陶瓷基微反應(yīng)器的加工要求,，但是氧化鋁高溫燒結(jié)易收縮變形,，導致微結(jié)構(gòu)成型率低。

2,、碳化硅陶瓷微反應(yīng)器

碳化硅陶瓷是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料,，能夠在1200～1400℃中仍保持高的抗彎強度，也是目前高溫強度最高的陶瓷,。碳化硅優(yōu)良的導熱性和抗沖擊性彌補了氧化鋁陶瓷脆性大,、導熱差的缺陷。碳化硅陶瓷易于機械加工,，是目前商業(yè)陶瓷微反應(yīng)器制備的主要材料,。

陶瓷微反應(yīng)器制氫系統(tǒng)組成

利用碳氫化合物轉(zhuǎn)化成氫氣的重整制氫系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：換熱器(氣化,、傳熱等)、燃燒加熱器(或電加熱),、重整反應(yīng)器(POX,、SR、ATR),、CO去除裝置,。如果氫氣提供給燃料電池堆，同樣,，燃料電池陽極排放的廢氣作為催化燃燒單元的燃料,，為氣化和合成氣轉(zhuǎn)化單元提供反應(yīng)所需的熱量。

重整催化制氫研究狀況

1,、重整催化制氫反應(yīng)機理

以乙醇水蒸氣重整反應(yīng)制氫為例,，其反應(yīng)原理為：

CH₃CH₂OH+H₂O—4H₂+2CO

CH₃CH₂OH+3H₂O—6H₂+2CO₂

目前，乙醇水蒸氣重整制氫的主要研究工作是從熱力學上對反應(yīng)進行分析,，由于這個反應(yīng)體系非常復雜,，副反應(yīng)也比較多，對其反應(yīng)機理還不是非常明確,。一般認為的機理主要有如下兩種：

（1）醇脫氫生成乙醛和氫氣,，部分乙醛會繼續(xù)和表面的氧作用生成乙酸鹽形式，然后進行分解生成CH₄和CO₂,，部分的乙醛會直接進行裂解生成CH₄和CO,。CO發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成CO₂和H₂，CH₄發(fā)生重整反應(yīng)生成碳的氧化物和H₂,。當然有部分的CO在表面富氧的條件下直接氧化為CO₂,。

（2）乙醇脫水生成乙烯和氫氣，部分乙烯快速發(fā)生重整反應(yīng),，生成CO和H₂,，部分直接脫附，存在于產(chǎn)物中,。CO發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成CO₂和H₂,。其中反應(yīng)的活性位大部分為金屬原子，但不同的載體有時提供不同的吸附位,。

2、重整制氫催化劑研究進展

以乙醇為例,，對于乙醇重整催化劑的選擇,，目前主要分為三類：

（1）Ru、Rh,、Pd等貴金屬,；

（2）Cu,、Ni、Co等非貴金屬,；

（3）其他催化劑,。

陶瓷材料具有耐高溫、不怕氧化,、耐酸堿腐蝕,、硬度大、耐磨損等優(yōu)點,，部分陶瓷材料還是優(yōu)良的催化劑載體,。利用陶瓷來制作微陶瓷反應(yīng)器，特別適合研究在高溫下的微反應(yīng),，以及氣相催化反應(yīng)等,，用多孔陶瓷孔道內(nèi)催化劑的負載和結(jié)構(gòu)特征對甲醇、乙醇重整制氫就是個非常有潛力的應(yīng)用,。

中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”,。屆時，來自湖南大學的肖漢寧教授帶來題為《多孔陶瓷微反應(yīng)器制備及其在重整制氫中的應(yīng)用》的報告,。肖漢寧教授將在報告中展示不同孔徑和孔結(jié)構(gòu)碳化硅和氧化鋁陶瓷微反應(yīng)器的制備技術(shù),，探討了多孔陶瓷孔道內(nèi)催化劑的負載量和結(jié)構(gòu)特征對甲醇、乙醇重整制氫在不同溫度下的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)氫量的影響,，為大功率長續(xù)航氫燃料電池汽車的發(fā)展提供了新的技術(shù)路線,。（鑒于當前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦,，計劃參會的單位可以聯(lián)系會務(wù)組,，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您！）

專家介紹：

肖漢寧,，湖南大學教授,，博士生導師，陶瓷研究所所長,，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家,。1991年在湖南大學獲博士學位，1994-1995留學日本,，從事博士后研究,。1995年晉升為教授。現(xiàn)任中國硅酸鹽學會理事,，中國機械工程學會工程陶瓷專業(yè)委員會理事長,，中國電工技術(shù)學會電工陶瓷專業(yè)委員會副主任，湖南省硅酸鹽學會副理事長等�,！稛o機材料學報》,、《硅酸鹽學報》、《功能材料》等雜志編委,。

肖漢寧教授長期從事先進結(jié)構(gòu)陶瓷,、多孔陶瓷、高性能陶瓷膜,、結(jié)構(gòu)-功能一體化陶瓷,、微晶玻璃等研究。先后主持國家重點基礎(chǔ)研究計劃,、國家863計劃,、國家自然科學基金、政府間國際科技合作和國防軍工等國家和省部級科研項目30多項,。研究成果先后獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項,，省部科技進步一等獎1項、二等獎3項,。在國內(nèi)外學術(shù)期刊發(fā)表論文280多篇,，出版《高性能結(jié)構(gòu)陶瓷及其應(yīng)用》專著1本，獲授權(quán)發(fā)明專利30多項,。

參考來源：

[1]李吉剛等.微反應(yīng)器在重整制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用與進展

[2]李永恒等.氫氣制備技術(shù)的研究進展

[3]劉潤陽等.陶瓷基微反應(yīng)器制備的研究進展

[4]王俊.陶瓷微反應(yīng)器的制作以及高溫氣相催化微反應(yīng)的研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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