[00818743]高性能纳米复合透氧膜及催化剂材料制备技术开发

氢能燃料电池示范汽车的不断推陈出新，催生了“氢能经济”的概念，也使氢能的制备、储存和应用成为能源研究领域的热点。以天然气制氢为基准，从能耗和CO<,2>排放的角度比较以焦炉煤气(成分：55-60%H<,2>、24-28%CH<,4>、5-8%CO、2-4%CO<,2>和0.3-0.8%N<,2>。炼厂气和生物质为原料制氢工艺，结果表明以焦炉煤气为原料经过重整制氢能耗最低、CO<,2>的排放最少。焦炉煤气作为钢铁联合企业焦化过程的副产品，不仅量大价廉，而且富含多种含能气体，是潜在的优质制氢原料之一。以焦炉煤气为原料制氢，CH<,2>的部分氧化重整是实现焦炉煤气大规模制氢的关键。但是，以焦炉煤气为原料经过烃类部分氧化重整制氢过程中，都是使用纯氧作为氧化剂，这需要专门的空分制氧设备，从而增加了制氢的成本。同时，直接供氧条件下催化剂床层极易发生“热点”和“飞温”现象，大大降低了生产过程的稳定性和安全性。但采用混合导体透氧膜反应器技术后，整个反应就可以直接在高温下从空气中动态地获得纯氧，实现氧分离过程和烃类部分氧化过程的耦合，可以大大地降低能耗、设备投资和操作成本。近年来，透氧膜反应器技术在天然气部分氧化、富氧燃烧和CO<,2>的分解反应等需连续供应纯氧或需要氧分离的工业过程中已展现出非常诱人的应用前景。关于混合导体透氧膜反应器中天然气(主要成分是CH<,2>)重整制氢/合成气的研究比较广泛。透氧膜材料必须能够长期保持较高的透氧量、较好的结构稳定和热化学稳定才能满足工业化生产的要求。另外，烃类发生部分氧化的反应产物，如H<,2>、CO、CO<,2>和H<,2>O等，都能使膜材料的结构发生改变，导致透氧量降低和膜材料组件破裂，因而透氧膜材料还必须具备较强的抵抗气体侵蚀的能力。与纯CH<,4>不同的是，焦炉煤气本身含有较多的CO和CO<,2>，并且其H<,2>含量高达55%以上，这势必会对致密混合导体透氧膜材料的热稳定性和化学稳定性提出了更高的要求。利用混合导体透氧膜以焦炉煤气为原料制氢的关键在于透氧膜材料的透氧量和稳定性。透氧膜材料的透氧过程主要由透氧膜富氧端(空气侧)的气相氧与膜表面晶格氧的交换动力学过程、氧离子在透氧膜体相的传输过程和透氧膜表面晶格氧与透氧膜贫氧端(反应侧)气相氧的交换动力学过程3个步骤所控制。因此，膜的结构与表面性质、膜和催化剂界面交互作用的形态以及催化剂的活性就必然决定透氧膜的氧的传递能力。因此，从透氧膜的表面形态、催化剂的化学组成与透氧量及稳定性的关系入手，寻找合适的表面改性材料和催化剂，有望制备出性能优异的复合透氧膜反应器，以满足CH<,4>部分氧化反应的技术要求，这将对天然气、焦炉煤气等的利用开发产生革命性的影响。