中國粉體網訊 氫氣是一種理想的二次能源，根據質量的不同，任何其他燃料在燃燒過程中釋放的能量都低于氫釋放的能量，CH4、汽油和煤的單位質量熱值預計分別比H2低2.4、2.8和4倍。目前氫燃料電池已經少量應用于汽車領域，而且隨著該產業(yè)的持續(xù)研究，在未來的人類生活中將會廣泛應用。
氫氣制備方式
氫的供應主要有2種途徑：一是采用壓縮氫氣(包括液態(tài)、氣態(tài))及儲氫材料儲氫；二是通過化學方法現場制氫。從長遠來看，由于資源的匱乏及環(huán)境保護的要求，利用可再生資源如生物質乙醇、天然氣等碳氫燃料制氫將成為主要的制氫方式。當前美國、加拿大、日本以及歐盟都在進行對甲醇、乙醇、天然氣、柴油、汽油等燃料重整制氫技術的研發(fā)工作。
用于重整制氫的方式主要包括水蒸氣重整(SR)、部分氧化重整(POX)和自熱重整(ATR)制氫3種。SR是吸熱反應，可用燃料電池排出的廢氣作為燃料提供反應所需的熱源。但是SR反應裝置復雜，需要外界供熱的問題一直困擾著該技術的實際應用。POX為放熱反應，具有啟動快、效率高和便于小型化等諸多優(yōu)點，但使用該方法的產品氣中氫純度較低，一氧化碳濃度過高。將SR和POX兩者有效地結合起來，即ATR是移動制氫的重要發(fā)展方向。
陶瓷微反應器
微反應器是一種借助特殊微加工技術以固體基質制造的可用于化學反應的三維結構單元，通常是指含有當量直徑小于500μm的流體通道的反應器。在這種狹窄的流體通道中，動邊界層厚度大大減小，平均熱、質擴散距離大幅度縮短，使得微通道內的燃料重整能夠利用快速表面反應動力學的固有特性，通過微通道表面形成的高活性催化劑達到加快催化反應的目的。
按照材質，微反應器可分為陶瓷基、金屬基和高分子基微反應器等。陶瓷材料因具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫、高機械強度和重腐蝕等苛刻環(huán)境下，具有比金屬等傳統(tǒng)材料更優(yōu)越的性能。陶瓷材料制備的微反應器不僅具備微化工技術的優(yōu)點，還便于催化劑的負載和實現氣液固三相反應。
陶瓷基多孔光催化膜微反應器
1、氧化鋁陶瓷微反應器
氧化鋁陶瓷加工工藝較簡單，是目前應用最廣泛的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷制品耐高溫、抗腐蝕，能長期在1600℃的溫度下使用，制備所用粉料粒徑小且分布均勻，可滿足陶瓷基微反應器的加工要求，但是氧化鋁高溫燒結易收縮變形，導致微結構成型率低。
2、碳化硅陶瓷微反應器
碳化硅陶瓷是良好的高溫結構材料，能夠在1200～1400℃中仍保持高的抗彎強度，也是目前高溫強度最高的陶瓷。碳化硅優(yōu)良的導熱性和抗沖擊性彌補了氧化鋁陶瓷脆性大、導熱差的缺陷。碳化硅陶瓷易于機械加工，是目前商業(yè)陶瓷微反應器制備的主要材料。
陶瓷微反應器制氫系統(tǒng)組成
利用碳氫化合物轉化成氫氣的重整制氫系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：換熱器(氣化、傳熱等)、燃燒加熱器(或電加熱)、重整反應器(POX、SR、ATR)、CO去除裝置。如果氫氣提供給燃料電池堆，同樣，燃料電池陽極排放的廢氣作為催化燃燒單元的燃料，為氣化和合成氣轉化單元提供反應所需的熱量。
重整催化制氫研究狀況
1、重整催化制氫反應機理
以乙醇水蒸氣重整反應制氫為例，其反應原理為：
CH3CH2OH+H2O—4H2+2CO
CH3CH2OH+3H2O—6H2+2CO2
目前，乙醇水蒸氣重整制氫的主要研究工作是從熱力學上對反應進行分析，由于這個反應體系非常復雜，副反應也比較多，對其反應機理還不是非常明確。一般認為的機理主要有如下兩種：
（1）醇脫氫生成乙醛和氫氣，部分乙醛會繼續(xù)和表面的氧作用生成乙酸鹽形式，然后進行分解生成CH4和CO2，部分的乙醛會直接進行裂解生成CH4和CO。CO發(fā)生水煤氣變換反應生成CO2和H2，CH4發(fā)生重整反應生成碳的氧化物和H2。當然有部分的CO在表面富氧的條件下直接氧化為CO2。
（2）乙醇脫水生成乙烯和氫氣，部分乙烯快速發(fā)生重整反應，生成CO和H2，部分直接脫附，存在于產物中。CO發(fā)生水煤氣變換反應生成CO2和H2。其中反應的活性位大部分為金屬原子，但不同的載體有時提供不同的吸附位。
2、重整制氫催化劑研究進展
以乙醇為例，對于乙醇重整催化劑的選擇，目前主要分為三類：
（1）Ru、Rh、Pd等貴金屬；
（2）Cu、Ni、Co等非貴金屬；
（3）其他催化劑。
陶瓷材料具有耐高溫、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損等優(yōu)點，部分陶瓷材料還是優(yōu)良的催化劑載體。利用陶瓷來制作微陶瓷反應器，特別適合研究在高溫下的微反應，以及氣相催化反應等，用多孔陶瓷孔道內催化劑的負載和結構特征對甲醇、乙醇重整制氫就是個非常有潛力的應用。
中國粉體網將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術與產業(yè)高峰論壇”。屆時，來自湖南大學的肖漢寧教授帶來題為《多孔陶瓷微反應器制備及其在重整制氫中的應用》的報告。肖漢寧教授將在報告中展示不同孔徑和孔結構碳化硅和氧化鋁陶瓷微反應器的制備技術，探討了多孔陶瓷孔道內催化劑的負載量和結構特征對甲醇、乙醇重整制氫在不同溫度下的轉化效率和產氫量的影響，為大功率長續(xù)航氫燃料電池汽車的發(fā)展提供了新的技術路線。（鑒于當前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術與產業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計劃參會的單位可以聯系會務組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您�。�
專家介紹：
肖漢寧，湖南大學教授，博士生導師，陶瓷研究所所長，享受國務院政府特殊津貼專家。1991年在湖南大學獲博士學位，1994-1995留學日本，從事博士后研究。1995年晉升為教授�，F任中國硅酸鹽學會理事，中國機械工程學會工程陶瓷專業(yè)委員會理事長，中國電工技術學會電工陶瓷專業(yè)委員會副主任，湖南省硅酸鹽學會副理事長等�！稛o機材料學報》、《硅酸鹽學報》、《功能材料》等雜志編委。
肖漢寧教授長期從事先進結構陶瓷、多孔陶瓷、高性能陶瓷膜、結構-功能一體化陶瓷、微晶玻璃等研究。先后主持國家重點基礎研究計劃、國家863計劃、國家自然科學基金、政府間國際科技合作和國防軍工等國家和省部級科研項目30多項。研究成果先后獲得國家技術發(fā)明二等獎1項，省部科技進步一等獎1項、二等獎3項。在國內外學術期刊發(fā)表論文280多篇，出版《高性能結構陶瓷及其應用》專著1本，獲授權發(fā)明專利30多項。
參考來源：
[1]李吉剛等.微反應器在重整制氫系統(tǒng)中的應用與進展
[2]李永恒等.氫氣制備技術的研究進展
[3]劉潤陽等.陶瓷基微反應器制備的研究進展
[4]王俊.陶瓷微反應器的制作以及高溫氣相催化微反應的研究
（中國粉體網編輯整理/山川）
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