發(fā)布時(shí)間：2018-02-27 12:13

  本文關(guān)鍵詞： 制氫 硫碘循環(huán) HI分解 催化 碳材料 量子化學(xué)　出處：《浙江大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著化石能源的枯竭及在利用過程中帶來(lái)的污染,可再生能源開始受到人們的重視。氫能由于來(lái)源豐富、利用方式多樣、能量密度高等優(yōu)點(diǎn),被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础Ｈ绾未笠?guī)模制取氫氣是目前氫能發(fā)展中的障礙,而熱化學(xué)硫碘循環(huán)分解水制氫將極有可能成為這一障礙的突破口。熱化學(xué)硫碘循環(huán)分解水制氫過程主要包括下面3個(gè)反應(yīng)： Bunsen反應(yīng)：I2+SO2+2H2O=2HI+H2SO4 H2SO4分解反應(yīng)：H2SO4=SO2+H2O+1/2O2 H1分解反應(yīng)：2HI=H2+12 HI的分解反應(yīng)是循環(huán)中的關(guān)鍵步驟,然而HI均相分解率極低,因此對(duì)其催化劑的研究有著重要意義。在之前的HI催化分解研究中,研究人員開發(fā)出了一系列催化劑,并對(duì)其活性機(jī)理進(jìn)行研究評(píng)價(jià),主要包括貴金屬負(fù)載型催化劑,過渡金屬負(fù)載型催化劑,以及既能充當(dāng)載體又能作為催化劑本身的活性炭。在活性炭的催化特性研究中,研究人員對(duì)其制備和改性方法做了大量工作,得到了較為完備的結(jié)論,但是在其機(jī)理方面仍然沒有準(zhǔn)確定論。本文通過實(shí)驗(yàn)以及量子化學(xué)模擬的方法,得到了HI在碳材料上的催化分解機(jī)理,并且對(duì)未來(lái)碳材料催化劑開發(fā)提出了改進(jìn)方向。同時(shí),在對(duì)碳材料的表征中提出了多種對(duì)炭結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析的手段,在量子化學(xué)計(jì)算中得到了HI在炭結(jié)構(gòu)上催化分解的完整過程。 我們選取了活性炭、碳分子篩、炭黑、碳納米管四種材料作為H1分解的催化劑,對(duì)其催化活性進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行一系列表征實(shí)驗(yàn)。在催化劑活性評(píng)價(jià)中,活性炭的活性最高,然后依次是碳分子篩,炭黑,碳納米管。在表征中,我們發(fā)現(xiàn)炭結(jié)構(gòu)是能把碳材料的各種性質(zhì)串聯(lián)起來(lái)的重要特征因素,炭結(jié)構(gòu)由微晶石墨與無(wú)序炭?jī)煞N結(jié)構(gòu)組成。通過多種表征方法,我們對(duì)炭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了量化分析,發(fā)現(xiàn)碳分子篩中微晶石墨尺寸最小,但是其微晶石墨所占比也最小,因而其結(jié)構(gòu)中的邊緣碳原子數(shù)量少于活性炭中邊緣碳原子數(shù)量。將表征與活性評(píng)價(jià)結(jié)果相結(jié)合,我們認(rèn)為碳材料中的邊緣碳原子數(shù)量與其催化活性存在著正相關(guān)關(guān)系,邊緣碳原子數(shù)量越多,催化劑活性越高。邊緣碳原子是HI催化分解中的活性位,并且其數(shù)量決定于微晶石墨的尺寸以及其在炭結(jié)構(gòu)中所占比例。 在量子化學(xué)研究中,首先對(duì)HI均相分解中的三個(gè)基元反應(yīng)進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算,計(jì)算的結(jié)果同之前的模擬結(jié)果非常接近,證明了量子化學(xué)方法的適用性。接下來(lái),我們對(duì)HI以及12在鋸齒型和扶手型兩種不同炭結(jié)構(gòu)上的吸附特性進(jìn)行了研究,結(jié)果證明,HI與12更容易吸附在鋸齒型結(jié)構(gòu)上。基于吸附特性的結(jié)果,我們對(duì)HI在鋸齒型結(jié)構(gòu)上的分解過程進(jìn)行了模擬計(jì)算,得到了HI在鋸齒型結(jié)構(gòu)上的催化分解機(jī)理過程,并發(fā)現(xiàn)12與H2分子的脫附是整個(gè)催化反應(yīng)速率的決定步驟。量子化學(xué)的結(jié)果也能很好的同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相佐證,反應(yīng)后催化劑的XPS表征結(jié)果證明了反應(yīng)后炭結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。Ni/MWCNT催化活性相比MWCNT有了很大程度提高,證明過渡金屬的加入能降低H2脫附過程中的能壘,從而提高催化分解反應(yīng)速率。
[Abstract]:With the depletion of fossil energy and the pollution caused by the utilization of fossil energy , renewable energy begins to be valued . Hydrogen can be regarded as the most developing clean energy source because of its abundant source , diverse use methods and high energy density . How to produce hydrogen in large scale is the obstacle in the development of hydrogen energy . Bunsen Reaction : I2 + SO2 + H2 O = 2HI + H2SO4 H2SO4 decomposition reaction : H2SO4 = SO2 + H2O + 1 / 2O2 H1 decomposition reaction : 2HI = H2 + 12 The decomposition reaction of HI is the key step in the cycle , however , the decomposition rate of HI is very low . In the previous research of HI catalytic decomposition , the researchers have developed a series of catalysts and studied the activity mechanism of the catalyst . In the study of the catalytic properties of activated carbon , the catalytic decomposition mechanism of HI on carbon material is obtained . Carbon molecular sieves , carbon black , carbon black and carbon nanotubes were selected as catalysts for H1 decomposition , and the catalytic activity was evaluated . The carbon molecular sieves , carbon black and carbon nanotubes were characterized . The carbon structure was characterized by the lowest number of carbon molecular sieves , carbon black and carbon nanotubes . In the quantum chemistry study , the three elementary reactions in the decomposition of HI are calculated . The results are very close to the previous simulation results . The results show that HI and 12 are more easily adsorbed on the sawtooth - type structure . The results show that HI and 12 are more easily adsorbed on the sawtooth - type structure . Based on the results of the adsorption characteristics , the catalytic decomposition mechanism of HI on the sawtooth - type structure is proved .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 王遵堯,肖鶴鳴;密度泛函理論諸方法計(jì)算鹵素和鹵化物的比較研究[J];分子科學(xué)學(xué)報(bào);2000年04期

2 趙鵬飛;郭欣;鄭楚光;;活性炭及氯改性活性炭吸附單質(zhì)汞的機(jī)制研究[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年23期

3 白瑩;張平;郭翰飛;陳崧哲;王來(lái)軍;徐景明;;碘硫循環(huán)中硫酸相與氫碘酸相的純化過程(英文)[J];Chinese Journal of Chemical Engineering;2009年01期

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本文編號(hào)：1542622