等离子体协同催化剂催化技术_张桦洲.pdf
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1、 77材料:实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 0 引言由于不可再生资源如石油、煤炭等能源的日益消耗,能源问题成为世界性的难题。大量的使用含碳化合物进行的各种工业活动导致了大面积的环境污染,碳氧化合物的排放也造成了全球气候变暖,影响人类的健康以及未来的发展。近年来世界各国提出碳中和战略,倡导绿色、环保、低碳的生活方式,大力发展可再生资源。氢气被认为是化石燃料最有前途的替代品之一,因为它的燃烧不会产生二氧化碳排放。此外,氢气可以在燃料电池中转化为电力,并作为各种技术上重要的化学转化的试剂,例如升级生物基平台化学品和生产金属。然而,氢不容易液化(它需要低于 253 的温度)
2、,而且价格昂贵,非常易燃。而利用氢能最有效的方式是氢燃料电池1-3,燃料电池(PEMFC)是一种将化学能转化为电能的可实现大规模生产的电池,燃料电池的能量转化效率可达到 85%90%,远高于卡诺循环的热效率。燃料电池不仅可使用在汽车上,也可以在功率允许的条件下替代大型机器设备的电源供给。电解水制氢无污染,但成本较高,催化氨分解制氢便成了经济性较好的一种制氢方法。氨含有约 17%重量的氢,可在-33 和大气压下液化,氨气分解生成氮气和氢气的反应是一个中等吸热反应,高温对反应有利。廉价金属(如铁、钴、镍)和过渡金属氮碳化物虽然成本低,但使氨气完全分解时的反应温度过高;贵金属(如钌)活性高而成本较高
3、。针对氨分解制氢现状,找到一种低成本、低能耗的氨分解制氢方法对开发氢能有着重要的意义。1 等离子体及其应用1.1 等离子体的基本概念等离子体是电离气体,通常包含电子、离子、紫外光子、中性粒子、电场、反应物质等。它们可以在地球的实验室环境中产生。在实验室里,等离子体的产生可以通过气体分子的离解来实现,电能被限制在两个电极之间。这种类型的等离子体可以在低压下产生,也可以在常压下产生。低压等离子体(如电感耦合等离子体、等离子炬)在真空室内部产生,非常适合于物体的均匀处理。它们也被称为热或准平衡低温等离子体,因为轻物质和重物质的温度几乎相同。在大气压下,等离子体(例如大气压等离子体喷射放电、介质阻挡放
4、电)可以通过在周围环境下电离两个窄电极之间的气体来产生,并且不需要昂贵的真空设备。1.2 等离子体技术的工业应用从热等离子体与低温等离子体将等离子体技术分为两类,两类等离子体均在工业中有着广泛的应用。(1)热等离子体:热等离子体处于局部热力学平衡(LTE),其中电子、离子和其他中性粒子的温度相近。O2和 H2O 在高温电弧中电离,生成活性基团,如 O3+。用于产生热等离子体的高温通常由电弧炬提供。根据电弧炬的不同放电模式,等离子体反应器可分为 RF 等离子体炬、微波等离子体炬和交流/直流等离子体炬等。目前,研究或商业应用的设备大多为直流电弧等离子体发生器,根据阴极和阳极的分布分为两种结构,即转
5、移类型和非转移类型。非转移型阴极和阳极位于发生器内部,而转移型通常将工件作为电极之一,因此转移型电极的寿命比非转移型电极长。(2)低温等离子体:低温等离子体,即非平衡等离子体可在常温甚至室温下进行化学反应,这就为材料的合成与改性4-5、废水废气处理6-7和等离子体显示等提供了一种可行的方法。使用低气压等离子体处理金属或非金属固体表面是一种常规的表面处理手段,如金属镀膜、非金属的表面沉积等。低气压等离子体放电时产生的大量高能电子以及与分子碰撞时产生的各种活性粒子,它们在一起能够引起一些具有选择性的化学反应。2 等离子体发生装置介质阻挡放电装置图 1 常见的介质阻挡放电反应器结构等离子体协同催化剂
6、催化技术张桦洲(成都大学机械工程学院 四川 成都 610106)【摘要】氢能技术无论是对于环境保护还是能源问题都是至关重要的一条途径,目前利用氢能最有效的方式是燃料电池,氨气作为一种不含碳基的储氢材料是燃料电池良好的氢源。廉价金属和过渡金属氮碳化物虽然成本低,但使氨气完全分解时的反应温度过高;贵金属如钌、铂等由于昂贵的价格较大地限制了其在工业上的应用。所以寻求一种低成本、低能耗的氨分解制氢方法是必要的,介质阻挡放电等离子体是一种较为简单方便的活化分子,促进催化反应的手段,本文介绍了介质阻挡放电装置和等离子体与催化剂耦合的方法,重点研究了等离子体在催化氨分解时与催化剂的协同作用。【关键词】氨分解
7、制氢;等离子体;催化剂【中图分类号】TK91 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624(2022)12-0077-03DOI:10.16009/13-1295/tq.2022.12.05178 材料:实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 介质阻挡放电:介质阻挡放电(DBD)是一种两个电极中有一个绝缘介质(如石英、陶瓷等)进行放电的形式,介质可以覆盖在电极上或悬空如图 1,当电压施加在两边电极时,在两个电极的中间产生电流,当达到电压击穿时,大量随机分布的微放电就会出现在间隙中,类似于低压下的辉光放电,发出接近浅蓝色的可见光。根据放电结构的不同可将介质阻挡放电分为两类
8、,即表面放电和体积放电。表面放电在绝缘介质周围存在一些线性小曲率半径电极时,在微电场的周围会产生不对称的电场分布,沿电介质表面的放电和电晕将发生在两个电极周围的电介质表面上,因此表面放电能够得到比较均匀的等离子体。而体积放电将穿过两个电极之间的整个气隙进行放电,板电极或同轴管电极的介质阻挡放电属于这种类型。3 介质阻挡等离子体的反应装置介质阻挡放电装置结构简单、易于操作、无须真空设备,介质阻挡放电(DBD)发生在两个相对的电极之间,其中一个或两个电极覆盖有绝缘的介质阻挡物(如石英或氧化铝)。施加在千赫范围内的交流电,而此时电压可高达几千伏。DBD 反应堆以灯丝模式运行,依靠穿过气体屏障的强有力
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