電化學(xué)氫泵反應(yīng)器用于生物質(zhì)基酮加氫的研究.pdf

1、電化學(xué)氫泵是在質(zhì)子交換膜燃料電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)，用來進(jìn)行氫氣純化時(shí)，具有氫氣純度高、能量利用率高和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于陰極可以生成原位氫，電化學(xué)氫泵也可以作為加氫反應(yīng)器，從根本上消除了傳統(tǒng)非均相加氫時(shí)氫氣在不同相態(tài)間的傳質(zhì)阻力，避免其引起的高壓、高能耗和設(shè)備復(fù)雜性，使加氫在常壓下進(jìn)行。
　　首先，采用電化學(xué)氫泵反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了丁酮的原位加氫，選擇性為100％，并對(duì)膜電極組件（Membrane Electrode Assem

2、bly，MEA）進(jìn)行了優(yōu)化。Pt的加氫活性是Pd的2.4倍，最大加氫速率高達(dá)15.5 mmol gPt-1 min-1，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)高壓加氫的結(jié)果(1.2 mmol gPt-1min-1)。同時(shí)，氣體擴(kuò)散電極(GDE)-MEA的加氫性能優(yōu)于催化劑涂覆膜(CCM)-MEA。Nation/PTFE-氫泵反應(yīng)器的加氫速率高于Nation115-氫泵反應(yīng)器，但加氫穩(wěn)定性較差。
　　由于Nation膜在有機(jī)物溶液中溶脹度較高，而且有機(jī)物滲透嚴(yán)

3、重，本文提出用磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮(SPPESK)膜替代Nation膜進(jìn)行電化學(xué)氫泵反應(yīng)器丁酮加氫。盡管SPPESK膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率遠(yuǎn)低于Nation115，但SPPESK和Nafion115-氫泵反應(yīng)器的丁酮加氫速率相當(dāng)，表明PEM的歐姆阻力并不是丁酮加氫反應(yīng)的速率控制步驟。由于SPPESK膜具有更好的耐原料丁酮和產(chǎn)物仲丁醇溶脹性以及較低的滲氫電流(0.38 mAcm-2)，當(dāng)較高溫度(＞40℃)和丁酮濃度(＞1.0 M)時(shí)，SPPE

4、SK-氫泵反應(yīng)器加氫穩(wěn)定性高于Nation-氫泵反應(yīng)器。同時(shí)，SPPESK膜具有出色的阻醇性能（仲丁醇滲透率為Nafion115的1/8）。
　　以往加氫反應(yīng)的氫源通常為純氫或水，但制氫成本高、工藝復(fù)雜，而且電解水能耗較高。本文提出含氫混合氣（H2/CO2和H2/N2）作為陽(yáng)極進(jìn)料提供氫源，實(shí)現(xiàn)了氫氣分離與丁酮加氫在電化學(xué)氫泵中的耦合，更加經(jīng)濟(jì)。Nation-氫泵反應(yīng)器的加氫速率隨CO2含量的增加逐漸下降，可能是因?yàn)殛?yáng)極室的CO2

5、滲透到陰極催化劑層導(dǎo)致稀釋和毒化效應(yīng)，通過H2/N2混合氣實(shí)驗(yàn)得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。SPPESK-氫泵反應(yīng)器的加氫速率隨混合氣中CO2含量的升高幾乎保持恒定，這是因?yàn)镾PPESK膜具有更優(yōu)異的阻CO2性能。
　　為了進(jìn)一步研究SPPESK-氫泵反應(yīng)器生物質(zhì)基酮加氫的普適性，除了低沸點(diǎn)丁酮，還進(jìn)行了高沸點(diǎn)2-庚酮的加氫反應(yīng)研究。2-庚酮加氫選擇性為100％，2-庚醇為唯一的產(chǎn)物。與丁酮的傳質(zhì)方式不同（氣態(tài)形式），2-庚酮以液態(tài)形式透過擴(kuò)