電化學(xué)氫泵馬來酸加氫產(chǎn)物催化層傳質(zhì)強(qiáng)化.pdf

1、生物質(zhì)燃料是與化石燃料組成相近的液體燃料，環(huán)境友好、可再生，被視為替代化石能源的最佳選擇之一。但是生物質(zhì)油的低熱值、低穩(wěn)定性、組成復(fù)雜等缺點(diǎn)，必須經(jīng)過加氫精制才能轉(zhuǎn)化為清潔、高能量密度的生物質(zhì)燃料。傳統(tǒng)的生物質(zhì)油加氫精制采用三相反應(yīng)器，需要在高氫分壓以及高溫條件下進(jìn)行。電化學(xué)氫泵反應(yīng)器通過外加電壓，在陰極催化劑表面原位生成吸附態(tài)氫原子，能夠在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)高速率的生物質(zhì)加氫過程。但其催化層的微孔結(jié)構(gòu)限制了加氫產(chǎn)物的向外傳質(zhì)，使電化學(xué)

2、氫泵反應(yīng)器加氫過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，亟待解決。
　　本文以馬來酸作為生物質(zhì)油模型化合物，提出將乙醇作為競爭吸附劑，減弱了馬來酸加氫過程中出現(xiàn)的產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，將10h平均反應(yīng)速率提高了46.1%。并且進(jìn)一步探究了不同乙醇濃度、馬來酸濃度、電流密度、溫度條件下，乙醇對電化學(xué)氫泵加氫性能的影響。添加少量乙醇就可以將電化學(xué)泵反應(yīng)器加氫轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率以及電流效率提高18.3%。并且添加乙醇后，電化學(xué)氫泵反應(yīng)更適合在大電流條件下操作

3、，在電流密度為132.3mA cm-2時(shí)，電化學(xué)氫泵反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率以及電流效率提高了83.1%。
　　進(jìn)而，通過對電化學(xué)氫泵反應(yīng)器薄層膜電極結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的分析，馬來酸及其加氫產(chǎn)物琥珀酸的吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相對于原料馬來酸，產(chǎn)物琥珀酸與催化層中的碳載體表面有較強(qiáng)的吸附作用，是加氫前反應(yīng)物馬來酸的1.8倍。而這種吸附作用導(dǎo)致了產(chǎn)物琥珀酸在催化層微孔中的擴(kuò)散減慢，造成了產(chǎn)物琥珀酸在催化層中的積累。而乙醇對碳載體表面的親附作用遠(yuǎn)強(qiáng)于琥

4、珀酸，優(yōu)先吸附在碳載體表面，減弱琥珀酸與碳載體表面的相互作用，促進(jìn)產(chǎn)物的擴(kuò)散過程，使產(chǎn)物抑制現(xiàn)象明顯緩解。
　　基于上述乙醇競爭吸附減弱產(chǎn)物抑制的機(jī)理，提出考慮產(chǎn)物在催化層中傳質(zhì)的馬來酸加氫動力學(xué)模型。通過引入Langmiur等溫吸附方程以及加氫逆反應(yīng)過程，將碳載體顆粒吸附作用以及乙醇濃度對催化層琥珀酸濃度的影響納入模型中。模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對比，R2大于0.9，驗(yàn)證了模型的可靠性以及乙醇競爭吸附促進(jìn)產(chǎn)物催化層傳質(zhì)機(jī)理的有效性