[發明專利]一種制氫催化體系、包含所述催化體系的制氫體系及其用途

有效

• 申請號: 201710398415.2
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107128875B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 李仁宏;閆曉慶;范杰;祝曉輝;吳碧靈
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: C01B3/04
• 分類號: C01B3/04;C01B3/32
• 代理公司: 杭州堅果知識產權代理事務所(普通合伙) 33366
• 代理人: 張劍英

本發明提供一種制氫催化體系、包含所述催化體系的制氫體系及其用途。所述的制氫催化體系包含金屬納米催化劑和生物質水溶液，所述的金屬納米催化劑催化生物質水溶液制氫，所述的催化體系的制氫效率和制氫能力由氧氣的量控制，所述催化體系的制氫效率隨著制氫反應體系中氧氣壓力或濃度的升高而增加。本發明首次利用氧氣分子來控制氫氣的產生速率，且該制氫方法高效，設備簡單，清潔環保，容易操作，在低溫下（≥0℃）即可同時實現水分解和生物質分解制氫，大大降低了能耗，甚至達到無能耗的反應條件，是一種可持續的催化方法，具有廣闊的應用前景。同時，該催化體系可用于制氫、能源化工、電池、水處理、油漆涂料、功能性紡織品、室內空氣凈化除醛、石油化工、碳氫鍵活化、制藥、制備含氫水等領域。

技術領域

本發明涉及能源與環境領域，特別涉及一種制氫催化體系、包含所述催化體系的制氫體系及其用途。

背景技術

隨著社會經濟和科學技術的發展，人類對能源和環境問題越來越關注。開發潔凈、高效的新能源，解決能源短缺和環境污染問題逐漸成為當今社會發展的核心使命。氫氣燃燒值高、無毒無臭、燃燒產物對環境友好，是可再生能源。氫能在滿足世界未來可持續能源需求方面勢必發揮著重要作用。

地球上最豐富的含氫物質是水，其次是各種礦物燃料煤、石油、天然氣及各種生物質等。要利用氫能必需首先開發氫源，即研究開發各種制氫的方法。從長遠看以水或生物質為原料制取氫氣是最有前途的方法，原料取之不盡，而且氫燃燒放出能量后又生成產物水，不造成環境污染。

許多傳統的制氫方法是不可持續的，這是因為它們采用了煤、石油、天然氣等化石能源作為燃料和原料，反應溫度一般維持在數百攝氏度，是高能耗的反應過程，并且會排放出大量二氧化碳和一氧化碳等溫室氣體和有毒氣體。同時，各類化石能源儲量有限，隨著人類的不斷開采，它們的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世紀將被開采殆盡。

具體而言，傳統制氫法包括(1)水煤氣法制氫、(2)以天然氣或輕質油為原料制氫、(3)以重油為原料氧化法制氫和(4)電解水制氫。

水煤氣法制氫是利用無煙煤或焦炭為原料與水蒸氣在高溫時反應而得水煤氣(C+H₂O→CO+H₂)，凈化后再使它與水蒸氣一起通過觸媒令其中的CO轉化成CO₂(CO+H₂O→CO₂+H₂)制取氫氣。該方法制氫產量大，但設備較多，反應溫度較高(通常200℃)，限制了其大規模推廣應用。

以天然氣或輕質油為原料制取氫氣，是在有催化劑存在下與水蒸汽反應轉化制得氫氣，反應過程包括(1)CH₄+H₂O→CO+H₂和(2)C_nH_2n+2+nH₂O→nCO+(2n+1)H₂。該反應一般在800～820℃下進行，能耗相對較高。

以重油為原料氧化法制取氫氣，其中的重油原料包括有常壓、減壓渣油及石油深度加工后的燃料油。重油與水蒸汽及氧氣反應制得含氫氣體產物。這類方法涉及重油和水蒸氣，反應溫度和能耗較高且不可持續。

電解水制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。水為原料制氫過程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定的能量則可使水分解。提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在75～85％，其工藝過程簡單無污染，但消耗電量大，并且制氫效率隨著氧氣壓力或濃度的升高而降低(因為水電解制氫反應為可逆反應)，因此其應用受到一定的限制。

除上述傳統制氫方法外，目前全世界范圍內興起了光化學制氫法，是指以水為原料，光催化水分解制取氫氣的方法。光催化過程是在含有催化劑的反應體系，在光照下促使水解制得氫氣。該方法具有一定的開發前景，但還是需要光能的參與才會發生產氫反應，同時光催化效率一般較低，并且制氫效率隨著氧氣壓力或濃度的升高而降低(因為光催化水分解制氫反應也為可逆反應)，因此無法大規模推廣應用。