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        氫能開發(fā)及制備方法的選擇

        2020-01-15 12:12:27王帥男周玉嫻白明華趙震沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院能源與環(huán)境催化研究所遼寧沈陽110034
        化工管理 2020年7期
        關(guān)鍵詞:電解水氫能制氫

        王帥男 周玉嫻 白明華 趙震(沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院能源與環(huán)境催化研究所,遼寧 沈陽 110034)

        1 能源問題

        1.1 能源在人類生活中的重要作用

        能源是現(xiàn)代社會進(jìn)步發(fā)展的重要支柱之一,是人類賴以生存的基礎(chǔ)保障,同時也為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略物資。能源的開發(fā)和使用,會極大地推動人類社會的發(fā)展。同時人類對不可再生能源的使用消耗逐年劇增。劇調(diào)查,1978 年全球總能源消費(fèi)量中,石油占47%,天然氣占20%,煤占28%,風(fēng)能和太陽等可再生能源能僅占5%。不可再生能源具有一定的貯量,其使用壽命有限,按目前的消耗增長速度,預(yù)計百年后能源消耗速度比現(xiàn)在消耗速度大兩倍。由此也帶來了一系列環(huán)境問,因此,在潛在的可替代能源中,尋找環(huán)境友好、可再生、價格合理的能源對當(dāng)今國家發(fā)展至關(guān)重要。氫能有望成為解決當(dāng)今時代環(huán)境污染和化石燃料枯竭短缺問題的一個重要的解決方案。氫能具有高質(zhì)量能量密度和零排放溫室氣體的特點(diǎn),在現(xiàn)有能源體系中可以作為一種理想的清潔能源來替代石油等化石能源[1,2]。

        1.2 不可再生能源使用帶來的環(huán)境問題

        煤、石油等化石燃料的燃燒會產(chǎn)生大量污染溫室氣體以及顆粒物,如二氧化碳、二氧化硫等會造成溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾等嚴(yán)重的環(huán)境問題[3],從而會導(dǎo)致全球氣候變暖,南北兩極冰川開始融化,海平面上升等問題,會直接威脅人類居住地,一些沿海地區(qū)和低海拔地區(qū)將被海水吞沒。霧霾及顆粒物會引起急性鼻炎和急性支氣管炎等病癥;還可導(dǎo)致近地層紫外線的減弱,使空氣中的傳染性病菌的活性增強(qiáng),傳染病增多;對交通安全有一定的影響,容易引起交通阻塞,發(fā)生交通事故。酸雨導(dǎo)致土壤酸化,土壤中的礦物質(zhì)流失,使植物不能正常發(fā)育,同時也會腐蝕建筑物,對人類的生活造成極大的影響。所以開發(fā)清潔、無污染的氫能迫在眉睫。

        2 氫能

        2.1 氫能的制備方法

        傳統(tǒng)制備氫能方法中主要包括天然氣制氫、煤制氫、甲醇等化合物制氫。但傳統(tǒng)制氫技術(shù)需要消耗煤、石油、天然氣等化石原料不可再生能源,不能長期持續(xù)的作為原料資源,且在制氫過程中CO2、SO2等氣體排放量大,污染環(huán)境。因此,對傳統(tǒng)制氫方法如何改進(jìn)、提升制氫效率、降低碳、硫的排放,如何利用原料資源可持續(xù)、低碳、環(huán)保、高效的新型制氫方法已成為當(dāng)前新能源汽車行業(yè)發(fā)展過程中重點(diǎn)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題。電解水制備氫氣是一種重要的制備方法。吉布斯自由能ΔGH是評判材料性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。其ΔGH約接近于零,材料的產(chǎn)氫性能越好。貴金屬鉑(Pt)在電催化產(chǎn)氫反應(yīng)中表現(xiàn)出低的過電位和低的Tafel 斜率,有較高的催化活性和穩(wěn)定性,能顯著提高反應(yīng)速率,但其成本高和稀缺性阻礙了水電解制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此,研究制備高效、非貴金屬、耐用的電催化劑成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題[4]。

        2.2 電解水制氫

        電解水制氫方法可根據(jù)電解質(zhì)的種類不同,分為堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫等方法。堿性電解水制氫是一種成熟的制氫方法,已廣泛應(yīng)用電力、電子等工業(yè)領(lǐng)域。與堿性水電解相比,質(zhì)子交換膜技術(shù)顯著減小了電解槽尺寸和重量,但缺點(diǎn)是催化劑為貴金屬、強(qiáng)腐蝕的酸性溶液和較高的薄膜成本[5]。固體氧化物電解水的制備溫度在900℃左右的高溫條件下進(jìn)行,同時因為其高溫的反應(yīng)條件,使該方法的效率比堿性電解水和質(zhì)子交換膜電解水的效率高。此方法電解質(zhì)主要為固體氧化物,通常為Y2O3、ZrO3,但缺點(diǎn)是其使用安全性不高。

        3 氧化鈷

        3.1 氧化鈷在催化中的應(yīng)用

        氧化鈷因其在電催化、電池、傳感器和磁性材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到重視。氧化鈷為鈷的化合物的統(tǒng)稱,包括Co3O4、Co(OH)2和其他氧化物。由于其具有很高的理論比容量,而且在大電流充放電下能很好工作,作為鋰離子電池負(fù)極材料受到廣泛關(guān)注。

        3.2 氧化鈷制備方法

        3.2.1 化學(xué)沉淀制備法

        化學(xué)沉淀制備法是金屬離子與沉淀劑反應(yīng)制備前驅(qū)體,再將所制備的前驅(qū)體進(jìn)行高溫煅燒的方法。該方法除了需要考慮陰離子因素外,還需考慮溫度和pH 值等因素,同時在制備過程中往往加入模版作為形貌控制劑。化學(xué)沉積制備優(yōu)點(diǎn)是制備產(chǎn)物易控制,對環(huán)境污染和影響較小,適合工業(yè)化的生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是產(chǎn)物容易團(tuán)聚,電化學(xué)活性不高。近年來的研究表明,可以通過控制反應(yīng)物的濃度、溶液的pH 制等條件,解決產(chǎn)物團(tuán)聚等問題,從而提高電化學(xué)活性[6]。

        3.2.2 電沉積制備法

        電化學(xué)沉積制備法是指將金屬、合金或者金屬化合物在電作用下,從其化合物水溶液、非水溶液或鉻鹽中在電極表面沉積產(chǎn)物的過程。可通過調(diào)節(jié)電沉積條件參數(shù)、電解液成分、電解液溫度和電沉積電位等參數(shù),實現(xiàn)了對產(chǎn)物的形貌和粒徑大小的有效控制[7]。電化學(xué)沉積方法制備簡單,但是因為受電解液濃度、制備電壓、電流以及溫度等影響,制備理想的材料相對困難[7]。

        3.2.3 水熱制備法

        水熱制備法是指在特定的密閉反應(yīng)器中,采用水溶液和其他液體混合物作為反應(yīng)體系,通過對反應(yīng)體系加壓加熱,達(dá)到一個臨界的溫度,使難溶或不溶的物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶而進(jìn)行無機(jī)合成與材料處理的一種有效方法。用水熱法制備的粉體不需要燒結(jié),避免在燒結(jié)過程中迫使晶粒長大且雜質(zhì)容易混入。水熱合成法優(yōu)點(diǎn)為反應(yīng)條件溫和、所得產(chǎn)物純度高、晶粒生長完整、沒有團(tuán)聚現(xiàn)象、分散性好、形狀可以調(diào)控、粒徑小且分布均勻不需鍛燒處理[8],是最常用的制備方法。

        4 結(jié)語

        綜合上述分析,解決能源與環(huán)境問題是我們面臨的一個重大挑戰(zhàn),其中氫能其產(chǎn)物無污染且能量密度大,是最有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。在制備氫能的方法中,電解水方法制備氫能是效率最高且污染最小的制備方法。同時,電催化產(chǎn)氫也是國際上的研究熱點(diǎn),選擇價格低廉且活性較高的非貴金屬氧化鈷為材料,采用水熱法制備活性高、性能穩(wěn)定的氧化鈷催化劑,可提升產(chǎn)氫效率。

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