現(xiàn)在最新的制氫方法是什么?
作者:訪客發(fā)布時(shí)間:2021-07-13分類(lèi):催化劑及助劑瀏覽:117
十一、陶瓷跟水反應(yīng)制取氫氣
日本東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家在300 ℃下,使陶瓷跟水反應(yīng)制得了氫。他們?cè)跉搴偷臍饬髦校瑢⑻康逆囪F氧體(CNF)加熱到300 ℃,然后用注射針頭向CNF上注水,使水跟熱的CNF接觸,就制得氫。由于在水分解后CNF又回到了非活性狀態(tài),因而鐵氧體能反復(fù)使用。在每一次反應(yīng)中,平均每克CNF能產(chǎn)生2立方厘米~3立方厘米的氫氣。
十二、甲烷制氫氣
1.日本京都大學(xué)教授乾智行用鎳鉑稀土元素氧化物多孔催化劑,使甲烷、二氧化碳和水生成了氫氣。催化劑中鎳、稀土元素氧化物和鉑的組成比例為10:65:0.5。其制備過(guò)程是,先將鎳、稀土元素氧化物等原料加熱熔解,然后導(dǎo)入氨氣,使熔解物成為凝膠狀,再進(jìn)行干燥、熱處理。這種催化劑微粒孔徑為2納米~100納米,具有很高的催化活性。乾智行教授將該催化劑裝進(jìn)反應(yīng)塔,然后加入二氧化碳、甲烷和水蒸氣。結(jié)果,在常壓及550 ℃~600 ℃條件下,生成物為氫氣和一氧化碳,升溫至650 ℃,其轉(zhuǎn)化率為80%;溫度為700 ℃時(shí),轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)到100%。
2.用C60作催化劑從甲烷制氫氣
日本工業(yè)技術(shù)院物質(zhì)工學(xué)工業(yè)技術(shù)研究所用C60作催化劑,從甲烷制得氫氣。
在現(xiàn)階段,C60在高溫條件下才能發(fā)揮功能,不能立刻達(dá)到實(shí)用,必須加以改良,制成在低溫條件下也能工作的節(jié)能催化劑。他們開(kāi)發(fā)的催化劑,是在碳粉里摻10%的C60。在加熱到1000 ℃的容器里,放入0.1克催化劑,以1分鐘流入20毫升甲烷的速度作實(shí)驗(yàn),結(jié)果90%的甲烷分解成氫和碳。C60用作催化劑,可用水洗凈表面,除去附著的殘存碳素,理論上可半永久使用。由于形狀獨(dú)特,粒子表面面積為活性炭的5倍到10倍,因而作催化劑用時(shí)功能較強(qiáng)。
十三、從微生物中提取的酶制氫氣
1.葡萄糖脫氧酶。美國(guó)橡樹(shù)岑國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從熱原體乳酸菌中提取葡萄糖脫氧酶。熱原體乳酸菌首先是在美國(guó)礦井中的低溫干餾煤渣中發(fā)現(xiàn)的。葡萄糖脫氧酶在磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP)的幫助下,能從葡萄糖中提取氫。在制取氫的過(guò)程中,NADP從葡萄糖中剝?nèi)∫粋€(gè)氫原子,使剩余物質(zhì)變成氫原子溶液。
2.氫化酶。這種酶是從曾在海底火山口附近發(fā)現(xiàn)的一種微生物中提取的。氫化酶的作用是使NADP攜載的氫原子結(jié)合成氫分子,而NADP還原為它原來(lái)的狀態(tài)繼續(xù)再次被利用。除美國(guó)發(fā)現(xiàn)這種酶外,俄羅斯的科學(xué)家也在湖沼里發(fā)現(xiàn)了這種微生物。他們把這種微生物放在適合于它生存的特殊器皿里,然后將微生物產(chǎn)出的氫氣收集在氫氣瓶里。
十四、從細(xì)菌制取氫氣
1.許多原始的低等生物在其新陳代謝的過(guò)程中也可放出氫氣。例如,許多細(xì)菌可在一定條件下放出氫氣。日本已發(fā)現(xiàn)一種名為“紅極毛桿菌”的細(xì)菌,就是制氫的能手。在玻璃器皿里,以淀粉作原料,摻入一些其他營(yíng)養(yǎng)素制成培養(yǎng)液,就可以培養(yǎng)出這種細(xì)菌。每消耗5毫米淀粉營(yíng)養(yǎng)液,就可以產(chǎn)生出25毫升的氫氣。
2.美國(guó)宇航部門(mén)準(zhǔn)備把一種光合細(xì)菌—紅螺菌帶到太空去,用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。
十五、用綠藻生產(chǎn)氫氣
科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)一種新方法,使綠藻按要求生產(chǎn)氫氣。美國(guó)伯克利加州大學(xué)科學(xué)家說(shuō),綠藻屬于人類(lèi)已知的最古老植物之一,通過(guò)進(jìn)化形成了能生活在兩個(gè)截然不同的環(huán)境中的本領(lǐng)。當(dāng)綠藻生活在平常的空氣和陽(yáng)光中時(shí),它像其他植物一樣具有光合作用。光合作用利用陽(yáng)光,水和二氧化碳生成氧氣和植物維持生命所需要的化學(xué)物質(zhì)。然而當(dāng)綠藻缺少硫這種關(guān)鍵性的營(yíng)養(yǎng)成分,并且被置于無(wú)氧環(huán)境中時(shí),綠藻就會(huì)回到另一種生存方式中以便存活下來(lái),在這種情況下,綠藻就會(huì)產(chǎn)生氫氣??茖W(xué)家介紹,1升綠藻培養(yǎng)液每小時(shí)可以產(chǎn)生出3毫升氫氣,但研究人員認(rèn)為,綠藻生產(chǎn)氫氣的效率至少可以提高100倍。
十六、有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫氣
最近,以厭氧活性溶液為生產(chǎn)原料的“有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”在我國(guó)哈爾濱建筑大學(xué)通過(guò)中試研究驗(yàn)證。我國(guó)工程院院士李圭白教授介紹,該項(xiàng)研究在國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)并實(shí)現(xiàn)了中試規(guī)模連續(xù)非固定化菌種長(zhǎng)期持續(xù)生物制氫技術(shù),是生物制氫領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破,其成果處國(guó)際領(lǐng)先地位。生物制氫思路1966年提出,90年代受到空前重視。從90年代開(kāi)始,德、日、美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家成立了專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu),制定了生物制氫發(fā)展計(jì)劃,以期通過(guò)對(duì)生物制氫技術(shù)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究,在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但時(shí)至今日,研究進(jìn)程并不理想,許多研究還都集中在細(xì)菌和酶固定化技術(shù)上,離工業(yè)化生產(chǎn)還有很大差距,迄今尚無(wú)一例中試結(jié)果。哈爾濱建筑大學(xué)的教授突破了生物制氫技術(shù)必須采用純菌種和固定技術(shù)的局限,開(kāi)創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣的新途徑,并首次實(shí)現(xiàn)了中試規(guī)模連續(xù)流長(zhǎng)期持續(xù)產(chǎn)氫。在此基礎(chǔ)上,他們又先后發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氫能力很高的乙醇發(fā)酵類(lèi)型,發(fā)明了連續(xù)流生物制氫技術(shù)反應(yīng)器,初步建立了生物產(chǎn)氫發(fā)酵理論,提出了最佳工程控制對(duì)策。該項(xiàng)技術(shù)和理論成果在中試研究中得到了充分驗(yàn)證:氫氣產(chǎn)率比國(guó)外同類(lèi)的小試研究高幾十倍;開(kāi)發(fā)的工業(yè)化生物制氫系統(tǒng)工藝運(yùn)行穩(wěn)定可靠,且生產(chǎn)成本明顯低于目前廣泛采用的水電解法。
十七、光解水制 氫氣介紹及進(jìn)展
自地球上出現(xiàn)生命以來(lái),就萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。光合作用是綠色植物和藻類(lèi)植物在可見(jiàn)光作用下將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成碳水化合物的過(guò)程。人類(lèi)賴以生存的能源和材料都直接的和間接的來(lái)自光合作用。石油、煤、天然氣等化石燃料就是自然界留給我們的光合作用的產(chǎn)物。由于世界的飛速發(fā)展,大自然留給我們的能源越來(lái)越短缺,這就激發(fā)了各國(guó)的科學(xué)家對(duì)光合作用及其模擬的研究,只能從能源上考慮,光解水制造氫是太陽(yáng)能光化學(xué)轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的最好途徑。因?yàn)闅淙紵笾簧伤晃廴经h(huán)境,便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)目稍偕茉础?
如果把太陽(yáng)能先轉(zhuǎn)化為電能,則光解水制氫可以通過(guò)電化學(xué)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。綠色植物的光合作用,就是通過(guò)葉綠素吸收太陽(yáng)光,再把光能轉(zhuǎn)化為電能借助電子轉(zhuǎn)移過(guò)程將水分解的。從太陽(yáng)能利用角度看,光解水制氫過(guò)程主要是利用太陽(yáng)能而不是它的熱能,也就是說(shuō),光解水過(guò)程中首先應(yīng)考慮盡可能的利用陽(yáng)光輻射中的紫外光和可見(jiàn)光部分,據(jù)此,太陽(yáng)能分解水制氫可以通過(guò)三種途徑來(lái)進(jìn)行。
★ 光電化學(xué)池:即通過(guò)光陽(yáng)板吸收太陽(yáng)能并將光能轉(zhuǎn)化為電能。光陽(yáng)板通常為光半導(dǎo)體材料,受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子——空穴對(duì),光陽(yáng)極和對(duì)極(陰極)組成光電化學(xué)池,在電解質(zhì)存在下光陽(yáng)極吸光后在半導(dǎo)體帶上產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路流向?qū)O,水中的質(zhì)子從對(duì)極上接受電子產(chǎn)生氫氣。
★ 光助絡(luò)合催化:即人工模擬光合作用分解水的過(guò)程。從分解水的角度而言,在綠色植物光合作用中,首先是應(yīng)該光合作用通過(guò)光氧化水放氧儲(chǔ)能,然后才是二氧化碳的同化反應(yīng)。通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存了氫,同時(shí)也儲(chǔ)存了碳。太陽(yáng)能分解水制氫,只需從原理上去模擬光合作用的吸光,電荷轉(zhuǎn)移,儲(chǔ)能和氧化還原反應(yīng)等基本物理化學(xué)過(guò)程。
★ 半導(dǎo)體催化:半導(dǎo)體光催化在原理上類(lèi)似于光電化學(xué)池,細(xì)小的光半導(dǎo)體顆??梢员豢醋鍪且粋€(gè)個(gè)微電極懸浮在水中,他們像太陽(yáng)極一樣在起作用,所不同的是它們之間沒(méi)有像光電化學(xué)池那樣被隔開(kāi),甚至對(duì)級(jí)也被設(shè)想是在同一粒子上。和光電化學(xué)池比較,半導(dǎo)體光催化分解水放氫的反應(yīng)大大簡(jiǎn)化,但通過(guò)光激發(fā)在同一個(gè)半導(dǎo)體微粒上產(chǎn)生的電子——空穴對(duì)極易復(fù)合。盡管半導(dǎo)體光催化循環(huán)分解水同時(shí)放氫放氧未能實(shí)現(xiàn),像絡(luò)合物催化光解水一樣必須在反應(yīng)體系中加入電子給體或受體分別放氫放氧,但半導(dǎo)體光催化的發(fā)展去為光催化研究打開(kāi)了若干新的領(lǐng)域。
氫能,是一種最理想的無(wú)污染的綠色能源。由于氫大量地存在于水中,電解法可從水中獲得氫氣,但電解成本高,而方便廉價(jià)的氫氣制備成為各國(guó)學(xué)者的愿望。1972年,日本本多健一等人利用二氧化鈦(TiO2)半導(dǎo)體作電極,制成太陽(yáng)能光電化學(xué)電池,揭示了利用太陽(yáng)能直接分解水制氫的可能性。隨著由電極電解水演變?yōu)槎嘞啻呋纸馑约癟iO2以外的光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn),日本、歐美等國(guó)興起了以光催化方法分解水制氫(簡(jiǎn)稱(chēng)光解水)的研究,并在光催化劑的制備、改性以及光催化理論等方面取得較大進(jìn)展。
我國(guó)在光解水相關(guān)研究方面也有特色。研究表明,Ti02為可用于光解水較適宜的電極材料,但其禁帶寬度為3.2eV,只能吸收太陽(yáng)光中的紫外光和近紫外光,光電轉(zhuǎn)換率僅有0.4%左右。而禁帶寬度在1.8eV左右的半導(dǎo)體作電極,可最大限度地吸收太陽(yáng)光,提高制氫轉(zhuǎn)換效率,但這類(lèi)電極容易產(chǎn)生陽(yáng)極溶解,發(fā)生光腐蝕。我國(guó)的科研人員采用在反應(yīng)體系中加入電子接受體、在Ti02表面擔(dān)載貴金屬、制備二元及多元復(fù)合催化劑、摻雜稀土元素、光敏化,以及采用新型的制備方法提高光催化劑的催化活性,先后開(kāi)發(fā)了SrTi03、K4Nb6O17、BaTi409、K3Ta3Si2O13以及具有層間復(fù)合結(jié)構(gòu)的CdS/KTiNbO5、CdS/K2Ti39Nb0.1O9/Pt等多種催化劑,取得了很大進(jìn)展,紫外光照射純水的活性已由最初的幾μmol/goh催化劑增大到幾百μmol/goh
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“光解水用摻雜稀土新型TiO2半導(dǎo)體電極的研究”,采用溶膠-凝膠法、氣相沉積法等在電極中添加不同稀土及其它金屬氧化物,利用稀土的催化活性及擴(kuò)展材料吸光范圍等特性,制成了TiO2-RE2O3、CdS-Ti02及CdS-W03-Ti02等電極,提高了電極的光電化學(xué)性能、耐蝕性、能量轉(zhuǎn)換效率及使用壽命,取得了較好的效果。盡管光解水制氫技術(shù)距離工業(yè)化還有一定差距,但這些科研成果給實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)帶來(lái)希望??茖W(xué)家希望能找到新的突破口,研制和開(kāi)發(fā)出具有高效率的光解水催化劑,使這一“太陽(yáng)氫”工程真正能服務(wù)于人類(lèi)。
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