電化學氫泵反應器用于生物質基酮加氫的研究.pdf

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

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

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

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

5、滲透到陰極催化劑層導致稀釋和毒化效應，通過H2/N2混合氣實驗得到了進一步驗證。SPPESK-氫泵反應器的加氫速率隨混合氣中CO2含量的升高幾乎保持恒定，這是因為SPPESK膜具有更優(yōu)異的阻CO2性能。
　　為了進一步研究SPPESK-氫泵反應器生物質基酮加氫的普適性，除了低沸點丁酮，還進行了高沸點2-庚酮的加氫反應研究。2-庚酮加氫選擇性為100％，2-庚醇為唯一的產物。與丁酮的傳質方式不同（氣態(tài)形式），2-庚酮以液態(tài)形式透過擴