基本信息
- 项目名称：
- 便携式Co催化剂硼氢化钠燃料电池制氢方案探究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 硼氢化钠作为氢源，以凹凸棒石粘土负载Co作为催化剂催化其水解产生氢气，是一种新型的氢气制取方法，具有高效、可控、经济、环保的优点。论文通过对该方法产氢条件进行探究，寻求该方法的最佳反应条件，以解决便携式燃料电池的氢气供应问题，为新型能源的发展提供一条环境友好型线路。
- 详细介绍：
- 利用价格低廉的凹凸棒石粘土经过一系列处理后负载非贵金属Co做催化剂，以取代价格昂贵的贵重金属催化剂和商业活性炭载体，在碱性条件下催化NaBH4水解产生高纯度氢气，采用SEM、XRD和TEM等表征手段对催化剂进行了分析，考察了催化剂制备方法、催化剂负载量、反应温度、NaBH4浓度、NaOH浓度和催化剂使用次数对制氢过程的影响，并进一步从NaBH4产氢的理论值、反应的累积产氢量和反应时间来比较不同条件的合理程度，最终寻求最终的制氢方案。 本文探究的制氢方案充分考虑经济性和循环性原则，克服了传统燃料电池供氢方案产氢率低，催化剂昂贵，便携性差等缺点，在便携式燃料电池供氢方面有着很好的前景。
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撰写目的和基本思路
- 目的：在微型燃料电池研究过程中，缺乏良好的氢气制取方法是制约其发展的关键因素。论文通过新型制氢方法的探究，寻求一种合理的制氢方案，以解决便携式燃料电池的氢气供应问题。 基本思路：利用价格低廉的凹凸棒石粘土负载非贵金属Co做催化剂，在碱性条件下催化NaBH4水解生氢，从催化剂制备、催化剂性能测试、催化剂负载量、反应温度、NaOH 及NaBH4浓度等方面对最佳产氢条件进行综合探究。
科学性、先进性及独特之处
- (1)选取硼氢化钠为氢源，可作为产氢体系和储氢体系，避免直接携带氢气的高成本及危险性。 (2)选取价格低廉、广泛存在的凹凸棒粘土作为载体负载Co催化剂，在保证产氢效率同时大大提高了催化剂经济性。 (3)反应过程的唯一副产物NaBO2 可回收利用，Co催化剂可循环使用，体现了循环性和环保性。 (4)反应过程操作应答性灵敏，能适应大范围的负荷变动，不产生滞后效应，具有良好的可控性。
应用价值和现实意义
- (1)选择硼氢化钠为氢源、凹土负载Co做催化剂，在保证产率的前提下，降低生产成本，为相关产品的研发及市场化提供了基础。 (2)探究过程考虑副产物以及催化剂的重复利用，凸显经济性和环保性。 (3)依托本文可设计高效、可控制氢反应器，制氢可以在低温、震动条件下发生，在军工、探险、高原用电方面有很好的前景。 (4)论述原理简单，研发周期短，使该方案能快速投入使用，增加研究的实际意义。
学术论文摘要
- 相比于活性炭和碳纳米管等惰性载体，凹凸棒石粘土在价格上有较大优势。利用浸渍化学还原法制备了凹凸棒石粘土负载钴催化剂，并用它作为催化剂催化水解硼氢化钠制备高纯度氢气。采用SEM、XRD和TEM等表征手段对催化剂进行了分析。考察了催化剂负载量、反应温度、NaBH4浓度和催化剂使用次数对制氢过程的影响，并进一步从NaBH4产氢的理论值、反应的累积产氢量和反应时间来比较不同催化剂的优劣。NaBH4水解制氢反应的活化能为56.32kJ•mol-1，较高的反应活化能说明Co-B催化剂具有新颖性和实用性。通过比较催化剂1次循环和9次循环后的NaBH4水解产氢速率发现，产氢速率从1.271 min-1g-1•Co-B降至0.871 min-1g-1•Co-B。
获奖情况
- 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.
鉴定结果
- [1]凹土负载Co催化剂碱性条件下催化NaBH4水解产氢，在“电力资源杂志”发表(SCI收录一区) [2]关于凹土负载Co催化剂碱性条件下催化NaBH4水解调查，在“化工和先进材料国际会议”发表。
参考文献
- [1]张兰. 凝胶注模工艺在中温固体氧化物燃料电池制备过程中的应用研究[D]. 济南: 山东大学, 2007. [2]何广利. 质子交换膜燃料电池内部两相流传递特性研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2007. [3]高古朝. NaBH4/Me2SO4/B(OMe)3还原体系的研究. 大连: 大连理工大学, 2007. [4]刘小华, 钱树云. 凹凸棒粘土的开发应用现状[J]. 化工矿业与加工, 2007, 36(12): 30~32. [5]王恒秀, 李莉, 李晋鲁等. 一种新型制氢技术[J]. 化工进展, 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
同类课题研究水平概述
- NaBH4催化水解是一种方便、实用且能有效制备高纯度氢气的新型氢气发生技术。氢气的生成速率容易控制，制得的氢气纯度高，不需要纯化过程，可直接作为燃料电池的燃料，催化剂可以循环使用，甚至在0 ℃下也可以产生氢气；NaBH4水解后产生的副产物NaBO2可以循环使用。同时这种制氢技术在使用的安全性、氢气的储存效率及催化剂的循环使用等方面具有一定的优势，正日益成为世界各国研究开发的焦点。 千年电池公司的Amendola等人通过将Ru负载在离子交换树脂球上作催化剂，利用硼氢化钠溶液来制取高纯度的氢气，同金属Rh相比，这种方法经济高效。日本工学院大学的Suda等人用氟化处理的金属氢化物作催化剂催化水解硼氢化钠制取氢气。研究发现Mg2Ni这种典型的高温氢化物合金对BH4-具有极好的催化功能，可以明显改善制氢动力学，氟化处理后的Mg2Ni比表面积增加，因此催化功能也增强。日本丰田研发中心的Yoshitsugu等人用超临界方法将Fe，Ni，Pd和Ru等负载在TiO2上制成催化剂，催化硼氢化钠水解制氢，其中Pt-TiO2的催化活性最好。随着金属负载量的增大，催化活性增大。实验证明该催化剂具有很好的活性，常温下20 min内氢气产率可达100%，其反应速度比千年电池公司的Ru-离子交换树脂催化剂体系快10倍。 我国武汉大学的研究人员用镍盐和硼氢化物进行化学反应制取了NixB催化剂。研究发现在150 ℃下真空热处理后，NixB催化剂的催化活性和工作稳定性极大提高。
