等離子體催化氨分解制氫的協(xié)同效應(yīng)研究.pdf

1、氨分解是極具吸引力的燃料電池原位供氫方法。然而，已有報(bào)道主要采用熱催化法分解氨氣制氫，其中貴金屬Ru活性最好但價(jià)格昂貴，而其它金屬尤其非貴金屬活性很低。本論文利用介質(zhì)阻擋放電等離子體提高了非貴金屬催化劑的低溫催化活性，從而建立了基于非貴金屬的等離子體催化氨分解制氫新方法，并取得以下結(jié)果和結(jié)論:
　　1.將介質(zhì)阻擋放電等離子體和非貴金屬催化劑耦合用于氨分解制氫反應(yīng)中，獲得了顯著的協(xié)同效應(yīng)。例如，在10 g體相Fe基催化劑存在下，NH

2、3進(jìn)料量為40 ml/min、410℃的條件下，氨氣轉(zhuǎn)化率由熱催化法的7.8％提高至99.9％(32.4 W)，氨氣完全轉(zhuǎn)化的溫度比熱催化法降低了140℃;制氫能量效率由單純等離子體法的0.43 mol/kW·h提高至4.96 mol/kW·h。
　　2.催化劑在協(xié)同效應(yīng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。首先，催化劑能夠回收利用等離子體放電電熱而使反應(yīng)物得到活化，提高制氫能量效率;其次，催化劑表面放電改善了等離子體放電效果，由不均勻的絲狀放電轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

3、較均勻的微放電、增加放電區(qū)面積和放電電流，電子密度得到大幅度增加，使得反應(yīng)物分子與電子發(fā)生非彈性碰撞而被活化的概率增加;此外，催化劑表面放電使得催化劑能夠直接利用等離子體區(qū)的活性物種。
　　3.等離子體在協(xié)同效應(yīng)中起到重要的輔助作用。首先，用自行建立的等離子體脫附技術(shù)以及OES、FTIR和15NH3同位素示蹤研究發(fā)現(xiàn):等離子體區(qū)的活性物種(NH3*、NH2·、NH·等)與催化劑表面吸附態(tài)的含N物種的相互作用（Eley-Rideal

4、過程）能夠促進(jìn)產(chǎn)物N物種的脫附，解決了催化劑被強(qiáng)吸附N原子毒化（金屬氮化物）的問題;其次，反應(yīng)物NH3分子被放電活化成活性物種（以NH3*為主），且NH3*物種的濃度與氨分解活性有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此判斷NH3*物種易于在催化劑表面吸附活化。
　　4.負(fù)載型催化劑的金屬和載體種類對(duì)協(xié)同效應(yīng)具有顯著影響。首先，在Fe、Co、Ni和Cu四種金屬催化劑中，Co為最佳活性組分，其金屬-氮鍵(M-N)強(qiáng)度適中，即:易形成又易斷裂，有利于催化循

5、環(huán)，且催化劑表面中間態(tài)物種濃度及表面放電面積較大，有利于表面化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生;其次，在等離子體環(huán)境下，載體的相對(duì)介電常數(shù)顯著影響其等離子體催化氨分解協(xié)同能力，是選擇等離子體催化體系中催化劑載體的重要依據(jù)。
　　5.改進(jìn)催化劑制各工藝可使等離子體催化氨分解的轉(zhuǎn)化率和制氫能效分別提高40％和2倍多;等離子體催化體系更適合選用高進(jìn)料速度(～200ml/min);催化劑用量存在最佳值(體相Fe基催化劑10 g);在等離子體環(huán)境下，助劑KCl