反子交換膜反應(yīng)器用于生物油和CO2的回氫研究.pdf

1、隨著化石能源的逐漸減少以及溫室效應(yīng)的逐漸增強(qiáng)，生物油的加氫精制以及CO2的加氫轉(zhuǎn)化受到越來越多的重視。而質(zhì)子交換膜反應(yīng)器(PEMR)能夠在陰極催化層原位生成濃度可控的吸附氫，因此可以在陰極實現(xiàn)常溫常壓下的加氫反應(yīng)，避免了工業(yè)上非均相加氫的高溫高壓操作，是一種反應(yīng)可控、條件溫和的加氫方式。但是當(dāng)PEMR用于生物油加氫以及CO2的電化學(xué)加氫轉(zhuǎn)化時，由于擴(kuò)散層傳質(zhì)以及PEMR結(jié)構(gòu)等方面存在的問題，加氫性能并不理想。
　　生物油成分復(fù)雜且

2、沸程寬，其在擴(kuò)散層中的傳質(zhì)是影響PEMR加氫性能的重要因素，因此本文分別采用疏水化碳紙和親水不銹鋼金屬網(wǎng)(SSWM)作為擴(kuò)散層，通過直觀的陰極半流道實驗，考察了生物油模型化合物丁酮（易揮發(fā)）和馬來酸（難揮發(fā)）水溶液在親、疏水?dāng)U散層中的傳質(zhì)形式，提出了擴(kuò)散層親-疏水性與反應(yīng)物揮發(fā)性相匹配的原則。當(dāng)采用親水?dāng)U散層時，丁酮和馬來酸溶液都是以液相形式傳質(zhì)的，而當(dāng)采用疏水?dāng)U散層時，易揮發(fā)的丁酮是以氣相形式傳質(zhì)的，而難揮發(fā)的馬來酸由于傳質(zhì)限制很難參

3、與反應(yīng)。
　　根據(jù)上述擴(kuò)散層傳質(zhì)機(jī)理，分別采用透氣量大的疏水碳紙和親水SSWM對丁酮和馬來酸溶液進(jìn)行加氫，考察了電流密度、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等參數(shù)對PEMR加氫的影響。當(dāng)電流密度為95 mA cm-2，反應(yīng)物濃度為1 mol L-1，反應(yīng)溫度為40℃時，反應(yīng)速率存在最大值340 nmol cm-2 s-1，此時電流效率可以達(dá)到70％，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)中報道值，這與擴(kuò)散層的優(yōu)化選擇有關(guān)。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)，由于Nafion/PT

4、FE復(fù)合膜和催化層的Nafion粘結(jié)劑在有機(jī)物環(huán)境中容易發(fā)生溶脹，導(dǎo)致催化層在較高濃度和溫度下出現(xiàn)了龜裂甚至局部脫落現(xiàn)象。
　　而對于CO2加氫來說，其在傳統(tǒng)的PEMR中電流效率很低（小于1％），而在Nafion膜和催化層之間加入緩沖層可以明顯提高CO2的加氫效率，但是緩沖層的作用機(jī)理卻不清楚。因此本文對比了傳統(tǒng)PEMR和帶有緩沖層的PEMR對于CO2加氫的效果，研究了催化劑，陰極電勢，緩沖液濃度等對改進(jìn)后的PEMR加氫性能的影響