高分散型铜基氧化物的构筑及其光热协同催化甲醇制氢的研究
批准号:
22109024
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
黄瀚林
依托单位:
学科分类:
氢能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄瀚林
中文摘要
甲醇水蒸气重整制氢反应具有储氢密度高、氢气产物体积分数大以及副产物少的优点,然而该反应需要在较高的温度下才能完全转化。目前广泛使用的铜基催化剂存在低温条件下催化反应活性低以及在高温条件下活性容易衰减、长期反应稳定性差以及副产物选择性高的问题。基于此,本项目提出光热协同催化策略来实现低温、高效的甲醇重整制氢。采用高分散型铜基前驱体的可控热解衍生方法,通过对不同类型前驱体材料的功能设计以及对热解衍生过程的精细调变,引入光辅助活化效应、高分散活性位点以及多组分之间的协同作用,构筑高分散型的多组分铜基氧化物催化剂,实现低温高效的光热协同催化甲醇水蒸气重整制氢反应。结合多种原位表征技术以及理论计算方法,深入探究并阐明光热协同催化反应机制,为甲醇制氢光热协同催化剂的应用提供理论指导和实践依据,对于高效氢能源催化材料及体系的发展具有重要意义。
英文摘要
Steam reforming of methanol (SRM) has advantages of high mass hydrogen storage density, large hydrogen volume ratio in the products and less by-products. However, high temperature is necessary for complete conversion. The widely used copper-based catalysts has disadvantages such as low activity at low temperature, deactivation, poor long-term stability and high selectivity of by-products at high temperature. Base on the previous problems, this project proposes the idea of photothermal synergistic catalysis strategy to develop a low-temperature and efficient reforming of methanol for hydrogen production. A controlled pyrolysis synthesis strategy with highly dispersed copper-based precursors is used. Utilizing the photo-assisted activation effects, highly dispersed active sites and the synergy effects of different components to construct a highly dispersed multicomponent copper-based oxide catalyst and realize a low-temperature and efficient photothermal catalysis for the hydrogen production from the steam reforming of methanol. Combining various in-situ characterizations and theoretical calculation methods, we intend to reveal the photothermal synergistic mechanisms, and to provide theoretical guidance and practical reference for the practical application of photothermal catalysts for hydrogen production from methanol. This project is of significant to the development of efficient catalytic materials and systems for hydrogen energy.
甲醇是一种高密度液态有机储氢介质,具有产能丰富、来源广泛、常温常压易于存储和运输等优点。液态甲醇作为储氢物质可以实现在线制氢,有效解决了传统氢能源技术中气态氢难以储运的问题。甲醇水蒸气重整反应体系的储氢密度高达18.8 wt%,氢气产物的体积分数大(75%)和纯度高,目前已经实现工业化制氢应用。本研究项目针对甲醇水蒸气重整制氢反应中应用最为广泛的传统铜基催化剂低温制氢活性低、高温稳定性差等关键科学问题,构筑具有铜活性物种高分散且具有光致热催化或光热协同催化效应的光活化催化剂,可以实现甲醇制氢反应能耗的降低以及提高低温条件下的催化活性、解决催化剂高温失活等问题。基于此,本项目发展了多种高分散型铜基光热催化剂,主要包括:铜-铈双金属氧化物、铜-镍双活性组分氧化、铜-锌-镓三组分金属氧化物、铜-锑钙钛矿衍生物、铜基反钙钛矿及其与钙钛矿氧化物载体复合的催化材料等,均取得了取得了高效的太阳能驱动甲醇制氢性能,最高产氢活性超过2300 mmol/g/h,低温条件下的光热协同产氢活性是目前文献已报道最优热催化活性的3倍,发展的稳定性较好的催化剂可以实现超过168小时的制氢活性无任何衰减。同时,结合原位表征和理论模拟等手段,揭示了不同反应条件下不同类型催化剂表面的甲醇和水分子反应路径,阐明了铜基催化材料的光热协同催化机制,总结了光致热催化、光诱导金属-金属电荷转移、活性组分和载体调控光热催化产物选择性等多种新颖的光热催化活性甲醇脱氢机制。本项目的研究成果有望解决传统热催化甲醇制氢中的低温活性差、高温催化剂不稳定、反应能耗高等突出问题,为构筑太阳能驱动的绿色大规模制氢体系提供理论依据。
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