CN116446000A - 一种甲酸制氢用钯-铜-镍催化材料的制备方法、光热界面甲酸制氢用组件及系统 - Google Patents
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Abstract
一种甲酸制氢用钯‑铜‑镍催化材料的制备方法、光热界面甲酸制氢用组件及系统，属于制氢技术领域。所述方法为：采用超声法配置含铜导电性分散液，然后用电镀装置，在阴阳极两端接入磨制好的圆形泡沫镍进行电镀，将铜电镀到泡沫镍上，得到铜‑镍材料；采用超声法配置含钯导电性分散液，然后用电镀装置，在阴阳极两端接入磨制好的圆形铜‑镍材料进行电镀，将钯电镀到铜‑镍材料上，在氢气的还原性氛围下进行还原处理，得到钯‑铜‑镍催化材料。本发明采用催化效果较好、重复利用率高的钯‑铜‑镍催化材料，可以降低提高甲酸制氢的甲酸转化率、氢气产量等，节约了生产成本，提高了甲酸制氢的经济效益和环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲酸制氢用钯-铜-镍催化材料的制备方法、光热界面甲酸制氢用组件及系统，属于制氢技术领域。
背景技术
化石燃料消耗带来的能源危机日渐加剧，对环境的污染也日趋严重，因此发展和利用新型可再生能源成为了必然的趋势。氢能作为一种理想的清洁能源，燃烧产物仅有水，被认为是21世纪最佳的新能源之一，有望替代化石燃料。近年来，甲酸作为一种储氢液体的候选介质，具有无毒、高容量氢容量和良好的稳定性等诸多优良特性。储存在甲酸中的氢气可以通过脱氢释放，甲酸分解成氢气和二氧化碳，其具有低焓，能在低温条件下产生热力学上可行的氢气。
目前的技术大部分是将催化剂加在本体溶液中，并需要不断加热及搅拌来加快氢气生产率，加热不可避免地消耗了大量能量，限制了技术的规模化应用。相比而言，利用太阳能为甲酸脱氢供能具有低能耗、高催化剂利用率等优点。显然，研发一项技术作为热发生器和催化剂同时收集太阳能，并于目标分子反应的材料对制氢至关重要。合理的装置和实验方法对于产氢的合理性和实用性也十分重要，但目前的光催化材料在这一战略中的应用仍然存在一些问题。催化材料对于太阳能吸收不足，并且在热量传送过程中向外界散热较多，造成热损失，导致太阳能热转化率下降，氢气产量有限。催化材料对于甲酸脱氢反应的催化效果不够好，导致氢气转化率较低。
目前，具有局部光热效应和高太阳能利用效率的界面太阳能加热技术在海水淡化、废水处理、发电和光热催化等多个领域被应用，表面能量的局部化也提高了对太阳能的利用效果。但是无论是传统的太阳能光热利用，还是新型的界面光热利用技术，都仍然存在着催化材料对太阳能吸收效果不足以及热损失较大的问题。因此迫切需要寻找一种新的催化材料、设计一种新型的反应装置及实验方法，来提高光热界面催化的效果、提高太阳能的热转化率以及甲酸的转化率。
发明内容
本发明的目的是解决催化材料对太阳能吸收效果不足以及热损失较大等问题，提供一种甲酸制氢用钯-铜-镍催化材料的制备方法、光热界面甲酸制氢用组件及系统和磁场局部加热催化材料的方法。该工艺以所选用的催化材料和光热装置结合为核心，具有良好的甲酸制氢催化效果，摒弃传统将催化剂加在本体溶液中，并需要不断加热及搅拌的方式，通过设计和制备新型的具有光热界面局部加热效果并对甲酸制氢具有良好催化作用的催化材料，利用太阳能和电能实现对催化材料的局部加热。该系统的原理如图1所示，即在催化材料与滴有甲酸的海绵接触时，催化材料可以吸收光能，并将一部分转化为热能，对甲酸分解成氢气和二氧化碳的过程提供催化作用，完成甲酸的分解过程。更进一步，通过外加磁场，催化材料中的磁性材料产生感应电流形成局部感应热，强化催化作用。同时，在一定程度上抑制了甲酸分解成水和一氧化碳，提高了甲酸制氢的效率。解决了甲酸制氢时需要热和高效能催化剂催化的问题，减少了传统将催化剂加在本体溶液中，所产生的催化剂和化石燃料的消耗。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种甲酸制氢用钯-铜-镍催化材料的制备方法，所述方法为：采用超声法配置含铜导电性分散液，然后用电镀装置，在阴阳极两端接入磨制好的圆形泡沫镍进行电镀，将铜电镀到泡沫镍上，得到铜-镍材料；采用超声法配置含钯导电性分散液，然后用电镀装置，在阴阳极两端接入磨制好的圆形铜-镍材料进行电镀，将钯电镀到铜-镍材料上，此时在铜上得到的黑色物质并不是钯单质，需要进一步还原，因此，将得到的催化材料在氢气的还原性氛围下进行还原处理，得到具有良好光热转换能力和甲酸制氢催化能力的钯-铜-镍催化材料。
一种包括上述方法制备的催化材料的光热界面甲酸制氢装置的组件，所述组件是实现光热界面催化甲酸制氢过程的核心，主要包括钯-铜-镍催化材料，光学透明玻璃圆筒型容器，盛载甲酸的海绵，紧固螺钉和密封垫圈；
所述钯-铜-镍催化材料和盛载甲酸的海绵放置在光学透明玻璃圆筒型容器内，所述钯-铜-镍催化材料接收太阳能和磁场能，将太阳能和磁场能转换为热能，传递到下方盛载甲酸的海绵上进行甲酸制氢的催化反应；所述光学透明玻璃圆筒型容器连接有气袋，充满气体后，可进行气袋的更换；
所述紧固螺钉和密封垫圈用于实现装置内部与外部的密封。
一种包括上述组件的光热界面甲酸制氢系统，所述系统主要包括组件、氮气瓶、气压阀、气体质量流量控制器、D08-1F型流量显示仪、太阳能模拟器、磁场发生器、电源、输运气路管和气袋；
所述组件放置在太阳能模拟器下，所述组件还与磁场发生器连接；所述组件前端通过输运气路管与氮气瓶相连，接收来自氮气瓶中通过气压阀控制气压输出的氮气，后端通过输运气路管接入气袋，便于后续气体成分的分析和研究；前端的输运气管路上设有气压阀和气体流量控制系统。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：相对于传统的将催化剂加在本体溶液中，并需要不断加热及搅拌的方式催化甲酸制氢而言，以光热界面甲酸制氢的方法采用局部加热的方式可以避免对整个装置加热，通过热量集中可以有效提高所用催化材料的温度，避免温度极化现象，减少热量损失并提高温度极化系数，从而提升催化材料的催化效率。并且催化材料可以重复利用，且重复利用的催化性能在长时间使用后也仍然保持良好，在一定程度上节约了生产成本。此外，传统的利用其他催化效果较差的催化材料对于甲酸制氢的催化效果并不理想，这将造成甲酸的利用率过低而导致资源浪费，也会造成制氢成本与实际生产效果不匹配，导致经济损失和资源消耗。而本发明光热界面甲酸制氢方法，采用催化效果较好、重复利用率高的钯-铜-镍催化材料，可以降低提高甲酸制氢的甲酸转化率、氢气产量等，节约了生产成本，提高了甲酸制氢的经济效益和环境效益。并且整个制氢过程采用太阳能装置，电源可以与其他新能源过程结合，比如风电和光电等，降低化石能源消耗和碳排放。
附图说明
图1为光热界面甲酸制氢原理图。
图2为实施例1钯-铜-镍催化材料的制备装置图。
图3为实施例1光热界面甲酸制氢组件示意图。
图4为实施例1光热界面甲酸制氢组件剖面示意图。
图5为实施例1光热界面甲酸制氢组件尺寸图。
图6为实施例1光热界面甲酸制氢组件俯视图。
图7为光热界面甲酸制氢系统流程图。
图8为光热界面甲酸制氢系统示意图。
图9为镍基催化剂氢气产量随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
1、钯-铜-镍催化材料的制备，其装置如图2所示：
(1)将0.1g的硫酸铜加入到10g的水溶液中，机械搅拌10min，然后采用超声破碎仪进行超声处理10min，得到分散均匀的硫酸铜水溶液；
(2)然后将磨制好的圆形泡沫镍接到电镀装置的阴阳两极，进行电镀，将铜电镀到泡沫镍上，20min后，在泡沫镍上得到红色物质，得到铜-镍材料；
(3)将0.1g的氯化钯加入到10g的水溶液中，机械搅拌10min，然后采用超声破碎仪进行超声处理10min，得到分散均匀的氯化钯水溶液；
(4)然后将磨制好的圆形铜-镍材料接到电镀装置的阴阳两极，进行电镀，将钯电镀到铜-镍材料上，20min后，在铜-镍材料上得到黑色物质；
(3)将得到的催化材料黑色物质，在氢气的还原性氛围下进行还原处理，还原2小时，得到所需的具有良好光热转换能力和甲酸制氢催化能力的钯-铜-镍催化材料。
2、光热界面甲酸制氢组件
将制备得到的钯-铜-镍催化材料，与滴有甲酸的海绵放置在光热界面甲酸制氢组件中，组装成光热界面甲酸制氢装置，其示意图如图3到6所示。上述的光热界面甲酸制氢装置主要包括以下部分：上述制备的钯-铜-镍催化材料，光学透明玻璃圆筒型容器，盛载甲酸的海绵，紧固螺钉和密封垫圈。
其中。制备得到的钯-铜-镍催化材料，接收从光学透明玻璃窗口入射的太阳光，将太阳能转换为热能。然后通过热传导等方式，将催化材料的热量传递到下方滴加了甲酸的海绵上进行甲酸制氢的催化反应。同时，在外加磁场的作用下，钯-铜-镍催化材料中的磁性材料镍产生局部感应热，强化催化作用。在紧固螺钉的作用下，实现装置内部与外部的密封，防止在加热条件下，甲酸和催化反应产生的氢气与二氧化碳在空气中的大量挥发，从而便于后期的气体收集与检测，得到可用的甲酸制氢转化率等实验所需的数据。
3、光热界面甲酸制氢系统
在上述基础上，整个光热界面甲酸制氢系统主要包括：上述的热界面甲酸制氢装置的组件、氮气瓶、气压阀、气体质量流量控制器、D08-1F型流量显示仪、太阳能模拟器、磁场发生器、电源、输运气路管和气袋等部分组成。
其中，上述的热界面甲酸制氢装置的组件通过输运气路管，前与气体流量控制系统相连，可以接收来自氮气瓶中通过气压阀控制气压输出的氮气；后通过输运气路管接入气袋，便于后续气体成分的分析和研究。且上述的热界面甲酸制氢装置的组件被放置在太阳能模拟器和磁场发生器下，便于研究特定光强和磁场功率下的甲酸催化制氢反应程度。
气体流量控制系统由气体质量流量控制器、D08-1F型流量显示仪组成，通过计量氮气瓶中的氮气量对氮气的输送流量进行控制。此处的氮气属于标定气体，不参与反应，只用来反应前期排出装置内的空气和对甲酸制氢反应后产生的氢气进行标定。
钯-铜-镍催化材料在太阳能光照下利用光热作用来对下方的滴有甲酸的海绵进行加热并催化甲酸制氢的化学反应。而钯-铜-镍催化材料进行光热的能量来自于太阳能模拟器和磁场发生器，为了探究光照强度和磁场功率对反应的影响，采用光强计对太阳光的强度进行检测并调节磁场功率的大小，利用热电偶对钯-铜-镍催化材料的温度进行检测，来确定使催化反应进行的最佳温度。最后，将收集的气袋用GC设备进行检测，得到关于气体成分的数据，并进行处理，实验中，通过控制变量来探究不同条件下甲酸催化制氢的效果。整个系统干扰因素较少，整个系统能够稳定运行。
Claims (4)
1.一种甲酸制氢用钯-铜-镍催化材料的制备方法，其特征在于：所述方法为：
步骤一：采用超声法配置含铜导电性分散液，然后用电镀装置，在阴阳极两端接入磨制好的圆形泡沫镍进行电镀，将铜电镀到泡沫镍上，得到铜-镍材料；
步骤二：采用超声法配置含钯导电性分散液，然后用电镀装置，在阴阳极两端接入磨制好的圆形铜-镍材料进行电镀，将钯电镀到铜-镍材料上，在氢气的还原性氛围下进行还原处理，得到钯-铜-镍催化材料。
2.根据权利要求1所述的一种甲酸制氢用钯-铜-镍催化材料的制备方法，其特征在于：所述含铜导电性分散液中，含铜化合物与水的质量比为0.05～0.2g：10g；所述含钯导电性分散液中，含钯化合物与水的质量比为0.05～0.2g：10g。
3.一种包括权利要求1或2制备的催化材料的光热界面甲酸制氢装置的组件，其特征在于：所述组件包括钯-铜-镍催化材料，光学透明玻璃圆筒型容器，盛载甲酸的海绵，紧固螺钉和密封垫圈；
所述钯-铜-镍催化材料和盛载甲酸的海绵放置在光学透明玻璃圆筒型容器内，所述钯-铜-镍催化材料接收太阳能和磁场能，将太阳能和磁场能转换为热能，传递到下方盛载甲酸的海绵上进行甲酸制氢的催化反应；所述光学透明玻璃圆筒型容器连接有气袋，充满气体后，可进行气袋的更换；
所述紧固螺钉和密封垫圈用于实现装置内部与外部的密封。
4.一种包括权利要求3组件的光热界面甲酸制氢系统，其特征在于：所述系统包括组件、氮气瓶、气压阀、气体质量流量控制器、D08-1F型流量显示仪、太阳能模拟器、磁场发生器、电源、输运气路管和气袋；
所述组件放置在太阳能模拟器下，所述组件还与磁场发生器连接；所述组件前端通过输运气路管与氮气瓶相连，接收来自氮气瓶中通过气压阀控制气压输出的氮气，后端通过输运气路管接入气袋；前端的输运气管路上设有气压阀和气体流量控制系统。
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