脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应过程研究

摘要

近年来，生物质作为可持续能源受到广泛关注，越来越多的研究集中于其提质流程中的加氢过程。而电化学氢泵反应器具有在阴极催化剂表面生成原位吸附氢的特殊结构，可使加氢过程在常温常压下进行，避免了传统加氢反应器中高温高压操作带来的一系列设备和操作复杂性。但是目前电化学氢泵加氢反应器的氢源为纯氢或水，纯氢高昂的价格和水电解的巨大电能消耗，阻碍电化学氢泵加氢反应器的进一步发展。
　　本文提出脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应器解决上述难题，即利用电化学氢泵反应器中质子交换膜的分隔作用，使脱氢反应与加氢反应同时在阳、阴极进行且互不影响，阳极有机物脱氢产生的H+通过质子交换膜传递至阴极催化剂表面，直接供给阴极加氢。与水做氢源相比，有机物具有较低的电化学窗口，可降低脱氢电势和供氢能源成本;脱氢与加氢在同一反应器中完成，提升了反应器的整体效率、降低设备成本。
　　基于电化学氢泵双反应器的设想，本文尝试了异丙醇-苯酚双反应器。阳极异丙醇在常用阳极催化剂Pt催化下脱氢生成氢气和丙酮，通过改进实验条件使脱氢电势稳定在0.85 V。并考察了生物质模型化合物苯酚在电化学氢泵反应器的加氢反应，环己醇选择性可达95.4％，加氢速率达到17.0 nmol cm-2 s-1。在此基础上，成功运行Pt-Nafion-Pt异丙醇-苯酚双反应器，阴极苯酚加氢反应速率9.7 nmol cm-2 s-1，阳极电势约为0.9 V。
　　进而，本文针对上述反应器存在阳极过电势高，环己酮产率低的问题进一步改进。阳极通过使用PtRu催化剂，增大催化剂担载量，脉冲电流以及操作条件优化，将异丙醇脱氢电势进一步降低至0.2 V，并可长时间稳定运行，仅为同条件下水脱氢电势的1/10。同时以苯酚加氢得到更多环己酮为目标，改用Pd催化剂并进行进一步优化，优选扩散层、催化剂担载量、操作条件等，其在80℃时，催化加氢生成环己酮速率达11.0 nmolcm-2 s-1，高于文献报道的Pd/C催化的三相反应速率。并成功运行PtRu-Nafion-Pt/Pd异丙醇-苯酚双反应器，其中PtRu-Nafion-Pt反应器阴极加氢速率达到19.3 nmol cm-2 s-1，阳极电势可稳定在0.2 V，证明双反应器的可行性和精确控制反应的优势。
　　针对前文阴极苯酚渗透导致脱氢电势升高问题，探究了另一种生物质模型化合物乙酰丙酸在电化学氢泵阴极的加氢反应，实验表明PtRu催化乙酰丙酸加氢的活性高于Pt。乙二醇作为阳极反应物，其相比异丙醇，可提供较高的电流密度，80℃可达到130mAcm-2。并进一步成功运行PtRu-Nafion-Pt/PtRu乙二醇-乙酰丙酸双反应器，其阴极加氢反应速率均高于单独氢泵反应器的加氢速率，整个过程中电压持续稳定在0.5V。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 电化学氢泵反应器(EHP)

1．1．1 反应器结构

1．1．2 关键技术

1．1．3 应用领域及优势

1．2 生物质加氢转化

1．2．1 生物质能源

1．2．2 酚类加氢

1．2．3 乙酰丙酸加氢

1．2．4 电化学氢泵用于生物质加氢的研究

1．3 有机物脱氢研究

1．3．1 电化学氢泵的氢源

1．3．2 有机物脱氢研究

1．3．3 醇类电化学脱氢研究

1．4 论文选题意义及研究内容

2 Pt-Nafion-Pt异丙醇-苯酚氢泵双反应器

2．1 实验部分

2．1．1 主要材料及试剂

2．1．2 实验设备及仪器

2．1．3 膜电极(MEA)的制备

2．2 实验流程及评价方法

2．2．1 异丙醇脱氢流程

2．2．2 苯酚加氢流程

2．2．3 双反应器实验流程

2．2．4 EHP反应器异丙醇脱氢及苯酚加氢评价指标

2．3 阳极Pt催化下的异丙醇脱氢

2．3．1 反应温度对脱氢电势的影响

2．3．2 电流密度对脱氢反应速率的影响

2．3．3 异丙醇浓度对脱氢电势的影响

2．3．4 反应时间对脱氢反应的影响

2．3．5 异丙醇供氢电流研究

2．3．6 异丙醇与水脱氢电势比较

2．4 阴极Pt催化下的苯酚加氢

2．4．1 苯酚加氢温度研究

2．4．2 电流密度对加氢选择性的影响

2．4．3 加氢反应时间对加氢性能的影响

2．5 Pt-Nafion-Pt双反应器加氢性能探究

2．6 本章小结

3 PtRu-Nafion-Pt／Pd异丙醇-苯酚氢泵双反应器

3．1 实验部分

3．1．1 实验试剂及药品

3．1．2 实验仪器及设备

3．1．3 膜电极(MEA)的制备

3．2 实验流程及催化剂表征方法

3．2．1 实验流程

3．2．2 催化剂表征

3．3 阳极异丙醇脱氢电势研究

3．3．1 不同催化剂作用下的异丙醇脱氢研究

3．3．2 提高PtRu的脱氢的电势稳定性

3．3．3 异丙醇的极限脱氢电势

3．3．4 PtRu催化下异丙醇供氢电流

3．4 阴极苯酚加氢性能研究

3．4．1 亲疏水扩散层与催化层匹配性研究

3．4．2 Pd担载量对加氢性能的影响

3．4．3 不同加氢产物的加氢温度探究

3．4．4 电流密度对加氢产物选择性的影响

3．4．5 不同催化剂下反应时间对加氢反应的影响

3．5 PtRu-Nafion-Pt／Pd双反应器加氢性能探究

3．6 本章小结

4 PtRu-Nafion-Pt／PtRu乙二醇-乙酰丙酸氢泵双反应器

4．1 实验部分

4．1．1 实验试剂及药品

4．1．2 实验仪器及设备

4．1．3 膜电极(MEA)制备

4．2 实验内容

4．2．1 阴阳极反应装置

4．2．2 产物检测及计算方法

4．3 阳极乙二醇脱氢研究

4．3．1 扩散层亲憎水性与反应体系匹配研究

4．3．2 催化剂种类对脱氢电势影响

4．3．3 脱氢温度对脱氢电势的影响

4．3．4 电流密度对脱氢速率的影响

4．3．5 脱氢时间对乙二醇脱氢的影响

4．3．6 乙二醇供氢电流

4．6 阴极乙酰丙酸加氢研究

4．6．1 不同催化剂对加氢速率的影响

4．6．2 电流密度对加氢速率的影响

4．6．3 不同催化剂的加氢稳定性测试

4．5 PtRu-Nafion-Pt／PtRu双反应器加氢性能探究

4．6 本章小结

结论

论文创新点与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢