新能源开发利用：氨分解在线制氢技术的研究与应用前景

新能源开发利用：氨分解在线制氢技术的研究与应用前景

【摘要】：当前，新能源的开发利用已成为世界各国共同关注的问题。氢气是一种备受重视的二次能源载体，具有清洁、高效、可回收等优点。对于氢气的应用，直接使用氢气作为燃料在储存和运输方面存在诸多问题。在线制氢技术可以同时解决制氢问题和储氢问题，具有广阔的应用前景。氨是一种富氢化合物，储氢密度高，运输方便，价格低廉，且不含碳元素，从源头上杜绝了CO的生成，因此氨分解在线制氢受到了广泛的关注。目前，氨分解催化剂的研究主要包括贵金属催化剂和过渡金属催化剂两大类。贵金属催化剂催化活性高，对设备的耐腐蚀性要求高；过渡金属催化剂储量丰富，制备方法以浸渍法为主。在氨分解反应的高温反应条件下，由于其稳定性较差，催化活性不理想。 因此设计一种兼具高活性和高稳定性的催化剂具有十分重要的意义。铁基催化剂是被广泛研究的一类催化剂，研究发现铈作为添加剂可以提高其催化活性和稳定性。因此本文设计合成了一系列铁基复合纳米催化剂，并通过XRD、TEM、BET、ICP等技术对催化剂的结构进行表征，并测试其氨分解活性，以期获得兼具高活性和稳定性的铁基催化剂。具体工作内容为：（i）采用溶剂热法成功合成了Fe3O4纳米球，采用不同的包覆方法成功制备了Fe-Ce和Fe-Ti复合纳米催化剂，并应用于催化氨分解反应。

利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、原位X射线衍射(in situ XRD)、程序升温还原(TPR)和物理吸附仪(BET)等表征方法对反应前后的催化剂样品进行表征。实验结果表明，与纯四氧化三铁催化剂相比，在650℃、空速24,·gcat-1·h-1的反应条件下，涂覆二氧化铈的铁基复合纳米催化剂的氨转化率接近100%，并且在600℃放置60 h的稳定性测试中催化活性没有衰减，表现出良好的稳定性。纯四氧化三铁催化剂虽然活性组分含量最高，但是高温下不稳定，活性最差，加入铈或钛可以提高其高温稳定性和催化活性。 (II)采用一步水热法，通过调节铁的摩尔含量制备了一系列Fe-Ce和Fe-La复合催化剂。利用元素分析（ICP-AES）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和物理吸附仪（BET）对新制备和反应的催化剂的结构进行表征。元素分析（ICP-AES）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）表明，铁成功引入到氧化铈和氢氧化镧的晶格中。将不同比例的Fe-Ce和Fe-La催化剂用于氨分解反应，实验发现，随着催化剂中铁含量的增加，催化活性逐渐提高，当铁的摩尔含量达到15％时，进一步增加铁含量对催化剂活性影响不大。此外，随着铁含量的增加，反应后催化剂样品的粒径增大。 与相同方法制备的纯铁样品相比，15%Fe-Ce和Fe-La复合催化剂的催化活性相当，表明铈和镧的存在有利于提高活性物种的催化活性，并且在长达70 h的稳定性测试中催化剂的催化活性没有下降。