目前工業(yè)上大規(guī)模制備氫氣離不開(kāi)高溫高壓以及目標(biāo)產(chǎn)物的提純。近日，我國(guó)科學(xué)家提出并實(shí)現(xiàn)了一種常溫常壓、高效率制備高純氫氣(>99.99%)的新策略。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的《自然·通訊》雜志上。
氫能源被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。目前，水汽變換(WGS)反應(yīng)(CO+H2O→H2+CO2)是工業(yè)上大規(guī)模制備氫氣的主要方法。WGS過(guò)程通常需要在高溫(180℃—250℃)和高壓(1.0兆帕—6.0兆帕)的條件下進(jìn)行。除了苛刻的反應(yīng)條件，通過(guò)WGS反應(yīng)制得的氫氣往往含有約1%—10%的一氧化碳?xì)埩艏胺磻?yīng)產(chǎn)物二氧化碳和甲烷等，需要進(jìn)一步分離純化才能進(jìn)行下游的應(yīng)用。因此，發(fā)展更經(jīng)濟(jì)的、環(huán)境友好的方法，在溫和條件下直接制備高純氫氣是氫能源發(fā)展的迫切需求。
中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)原理，巧妙地將WGS的氧化還原反應(yīng)拆分為彼此分離的兩個(gè)“半反應(yīng)”，首次提出了一種能在常溫常壓下直接制備高純氫氣的電化學(xué)水汽變換概念：室溫電化學(xué)水汽變換(EWGS)反應(yīng)。在這個(gè)反應(yīng)中，一氧化碳在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的二氧化碳與電解質(zhì)氫氧化鉀進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸鉀，避免了二氧化碳的排放;同時(shí)水在陰極直接被還原生成高純氫氣。陰陽(yáng)兩極由陰離子交換膜分隔開(kāi)，從而有效分隔兩極產(chǎn)物，因此從原理上避免了傳統(tǒng)WGS中氫氣需要分離提純的過(guò)程。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)對(duì)催化劑的設(shè)計(jì)和電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，EWGS反應(yīng)在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)了99.99%的高純氫制備。這與傳統(tǒng)的WGS反應(yīng)完全不同，為低能耗生產(chǎn)高純氫氣提供了新思路。
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