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基本信息

項(xiàng)目名稱：
便攜式Co催化劑硼氫化鈉燃料電池制氫方案探究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
硼氫化鈉作為氫源，以凹凸棒石粘土負(fù)載Co作為催化劑催化其水解產(chǎn)生氫氣，是一種新型的氫氣制取方法，具有高效、可控、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。論文通過(guò)對(duì)該方法產(chǎn)氫條件進(jìn)行探究，尋求該方法的最佳反應(yīng)條件，以解決便攜式燃料電池的氫氣供應(yīng)問(wèn)題，為新型能源的發(fā)展提供一條環(huán)境友好型線路。
詳細(xì)介紹：
利用價(jià)格低廉的凹凸棒石粘土經(jīng)過(guò)一系列處理后負(fù)載非貴金屬Co做催化劑，以取代價(jià)格昂貴的貴重金屬催化劑和商業(yè)活性炭載體，在堿性條件下催化NaBH4水解產(chǎn)生高純度氫氣，采用SEM、XRD和TEM等表征手段對(duì)催化劑進(jìn)行了分析，考察了催化劑制備方法、催化劑負(fù)載量、反應(yīng)溫度、NaBH4濃度、NaOH濃度和催化劑使用次數(shù)對(duì)制氫過(guò)程的影響，并進(jìn)一步從NaBH4產(chǎn)氫的理論值、反應(yīng)的累積產(chǎn)氫量和反應(yīng)時(shí)間來(lái)比較不同條件的合理程度，最終尋求最終的制氫方案。 本文探究的制氫方案充分考慮經(jīng)濟(jì)性和循環(huán)性原則，克服了傳統(tǒng)燃料電池供氫方案產(chǎn)氫率低，催化劑昂貴，便攜性差等缺點(diǎn)，在便攜式燃料電池供氫方面有著很好的前景。

作品圖片

  • 便攜式Co催化劑硼氫化鈉燃料電池制氫方案探究
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：在微型燃料電池研究過(guò)程中，缺乏良好的氫氣制取方法是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。論文通過(guò)新型制氫方法的探究，尋求一種合理的制氫方案，以解決便攜式燃料電池的氫氣供應(yīng)問(wèn)題。 基本思路：利用價(jià)格低廉的凹凸棒石粘土負(fù)載非貴金屬Co做催化劑，在堿性條件下催化NaBH4水解生氫，從催化劑制備、催化劑性能測(cè)試、催化劑負(fù)載量、反應(yīng)溫度、NaOH 及NaBH4濃度等方面對(duì)最佳產(chǎn)氫條件進(jìn)行綜合探究。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

(1)選取硼氫化鈉為氫源，可作為產(chǎn)氫體系和儲(chǔ)氫體系，避免直接攜帶氫氣的高成本及危險(xiǎn)性。 (2)選取價(jià)格低廉、廣泛存在的凹凸棒粘土作為載體負(fù)載Co催化劑，在保證產(chǎn)氫效率同時(shí)大大提高了催化劑經(jīng)濟(jì)性。 (3)反應(yīng)過(guò)程的唯一副產(chǎn)物NaBO2 可回收利用，Co催化劑可循環(huán)使用，體現(xiàn)了循環(huán)性和環(huán)保性。 (4)反應(yīng)過(guò)程操作應(yīng)答性靈敏，能適應(yīng)大范圍的負(fù)荷變動(dòng)，不產(chǎn)生滯后效應(yīng)，具有良好的可控性。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

(1)選擇硼氫化鈉為氫源、凹土負(fù)載Co做催化劑，在保證產(chǎn)率的前提下，降低生產(chǎn)成本，為相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及市場(chǎng)化提供了基礎(chǔ)。 (2)探究過(guò)程考慮副產(chǎn)物以及催化劑的重復(fù)利用，凸顯經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。 (3)依托本文可設(shè)計(jì)高效、可控制氫反應(yīng)器，制氫可以在低溫、震動(dòng)條件下發(fā)生，在軍工、探險(xiǎn)、高原用電方面有很好的前景。 (4)論述原理簡(jiǎn)單，研發(fā)周期短，使該方案能快速投入使用，增加研究的實(shí)際意義。

學(xué)術(shù)論文摘要

相比于活性炭和碳納米管等惰性載體，凹凸棒石粘土在價(jià)格上有較大優(yōu)勢(shì)。利用浸漬化學(xué)還原法制備了凹凸棒石粘土負(fù)載鈷催化劑，并用它作為催化劑催化水解硼氫化鈉制備高純度氫氣。采用SEM、XRD和TEM等表征手段對(duì)催化劑進(jìn)行了分析?？疾炝舜呋瘎┴?fù)載量、反應(yīng)溫度、NaBH4濃度和催化劑使用次數(shù)對(duì)制氫過(guò)程的影響，并進(jìn)一步從NaBH4產(chǎn)氫的理論值、反應(yīng)的累積產(chǎn)氫量和反應(yīng)時(shí)間來(lái)比較不同催化劑的優(yōu)劣。NaBH4水解制氫反應(yīng)的活化能為56.32kJ?mol-1，較高的反應(yīng)活化能說(shuō)明Co-B催化劑具有新穎性和實(shí)用性。通過(guò)比較催化劑1次循環(huán)和9次循環(huán)后的NaBH4水解產(chǎn)氫速率發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氫速率從1.271 min-1g-1?Co-B降至0.871 min-1g-1?Co-B。

獲獎(jiǎng)情況

1.Hydrogen generation from catalytic hydrolysis of alkaline sodium borohydride solution using attapulgite clay-supported Co-B catalyst, Journal of Power Sources, 2010, 195, 2136-2142. 2.Investigation into Catalytic Hydrolysis of Alkaline Sodium Borohydride Solution Using Attapulgite Clay-Supported Co-B Catalyst. International Review of Chemical Engineering, 2010, 2, 298-304. 3.Investigation into Catalytic Hydrolysis of Alkaline Sodium Borohydride Solution using Attapulgite Clay-Supported Co-B Catalyst. 1st Conference on Chemical Engineering and Advanced Materials. Naples 2009.

鑒定結(jié)果

[1]凹土負(fù)載Co催化劑堿性條件下催化NaBH4水解產(chǎn)氫，在“電力資源雜志”發(fā)表(SCI收錄一區(qū)) [2]關(guān)于凹土負(fù)載Co催化劑堿性條件下催化NaBH4水解調(diào)查，在“化工和先進(jìn)材料國(guó)際會(huì)議”發(fā)表。

參考文獻(xiàn)

[1]張?zhí)m. 凝膠注模工藝在中溫固體氧化物燃料電池制備過(guò)程中的應(yīng)用研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2007. [2]何廣利. 質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部?jī)上嗔鱾鬟f特性研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2007. [3]高古朝. NaBH4/Me2SO4/B(OMe)3還原體系的研究. 大連: 大連理工大學(xué), 2007. [4]劉小華, 錢樹云. 凹凸棒粘土的開(kāi)發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 化工礦業(yè)與加工, 2007, 36(12): 30~32. [5]王恒秀, 李莉, 李晉魯?shù)? 一種新型制氫技術(shù)[J]. 化工進(jìn)展, 2001, 20(7): 1~ 4. [6]H Geng, H Geng, X Xue. The effect of Ce on the hydrogen content and liquid structure of Al–16% Si melts [J]. Materials Characterization, 2003, 51(1): 29~33 [7]Y Hu, Y Lv, X Yu, et al. Synthesis and characterization of YAG: Ce3+ fluorescence powders by co-precipitation method [J]. Journal of Rare Earths, 2010, 28(1): 303-307 [8]L Z Ouyang, Y J Xu, H W Dong, et al. Production of hydrogen via hydrolysis of hydrides in Mg–La system [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(24): 9671~9676 [9]X Yan, G He, S Gu, et al. Quaternized poly (ether ether ketone) hydroxide exchange membranes for fuel cells [J]. Journal of Membrane Science, 2011, 375(1~2): 204~211

同類課題研究水平概述

NaBH4催化水解是一種方便、實(shí)用且能有效制備高純度氫氣的新型氫氣發(fā)生技術(shù)。氫氣的生成速率容易控制，制得的氫氣純度高，不需要純化過(guò)程，可直接作為燃料電池的燃料，催化劑可以循環(huán)使用，甚至在0 ℃下也可以產(chǎn)生氫氣；NaBH4水解后產(chǎn)生的副產(chǎn)物NaBO2可以循環(huán)使用。同時(shí)這種制氫技術(shù)在使用的安全性、氫氣的儲(chǔ)存效率及催化劑的循環(huán)使用等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，正日益成為世界各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)。 千年電池公司的Amendola等人通過(guò)將Ru負(fù)載在離子交換樹脂球上作催化劑，利用硼氫化鈉溶液來(lái)制取高純度的氫氣，同金屬Rh相比，這種方法經(jīng)濟(jì)高效。日本工學(xué)院大學(xué)的Suda等人用氟化處理的金屬氫化物作催化劑催化水解硼氫化鈉制取氫氣。研究發(fā)現(xiàn)Mg2Ni這種典型的高溫氫化物合金對(duì)BH4-具有極好的催化功能，可以明顯改善制氫動(dòng)力學(xué)，氟化處理后的Mg2Ni比表面積增加，因此催化功能也增強(qiáng)。日本豐田研發(fā)中心的Yoshitsugu等人用超臨界方法將Fe，Ni，Pd和Ru等負(fù)載在TiO2上制成催化劑，催化硼氫化鈉水解制氫，其中Pt-TiO2的催化活性最好。隨著金屬負(fù)載量的增大，催化活性增大。實(shí)驗(yàn)證明該催化劑具有很好的活性，常溫下20 min內(nèi)氫氣產(chǎn)率可達(dá)100%，其反應(yīng)速度比千年電池公司的Ru-離子交換樹脂催化劑體系快10倍。 我國(guó)武漢大學(xué)的研究人員用鎳鹽和硼氫化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)制取了NixB催化劑。研究發(fā)現(xiàn)在150 ℃下真空熱處理后，NixB催化劑的催化活性和工作穩(wěn)定性極大提高。
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