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我国学者在非粮生物质制氢方面取得重大突破

2018-05-15 15:14:25 农学 制氮

 

图. 非粮生物质制氢示意图

  在国家自然科学基金项目(项目编号:21472145、21305117)等资助下,西安交通大学李洋研究员团队和德国莱布尼茨催化研究所Matthias Beller教授课题组合作,以“一锅两步”法作为研究思路,发展了一种在相对温和条件下从非粮生物质中高效、高选择性地制氢方法,是生物质制氢研究领域的一项重大突破。研究成果以“Streamlined Hydrogen Production from Biomass(新型高效生物质制氢)”为题,于2018年4月30日在Nature Catalysis(《自然•催化》)上在线发表。论文链接:http://www.nature.com/articles/s41929-018-0062-0。

  随着人类社会能源供给主要依赖的化石资源日益枯竭,以及此类能源利用过程中导致的CO2排放持续增加、环境污染日益严重,寻找大量丰富的可持续清洁能源已成为全世界关注的重要科学问题。H2的燃烧热高、燃烧过程零污染,并且可通过氢燃料电池高效转化为电能,是理想的清洁能源载体。生物质可再生周期短,其中的碳元素源于自然界的CO2。因此生物质制氢伴生的CO2是一个碳的中性排放过程(CO2-neutral emission)。以非粮生物质为原料制氢可以避免和粮食资源冲突,并且有利于CO2减排。迄今为止,主要转化方法有高温气化(700–1400 °C)、催化热解(300–1000 °C)或超临界水气化(温度 ³ 374 °C,压力 ³ 217 atm)等,高能耗、高成本以及低选择性给这些方法的应用带来了很大的局限性。因此,发展低能耗、高效及高选择性地从非粮生物质制氢将为可持续清洁能源问题提供一个理想的解决方案。

  均相催化有可能解决上述问题,但报道的利用生物质的单体葡萄糖通过一步法直接制氢的产率不超过5%。李洋研究员团队和Matthias Beller教授课题组合作,发展了利用非粮生物质,如麦秆、玉米秆、水稻秆、芦苇、甘蔗渣、竹屑,以及日常生活垃圾,如硬纸板、废报纸为原料的“一锅两步”制氢方法,即:把160°C下生物质中的主成份纤维素和半纤维素转化为甲酸的“氧化催化”和90 °C下生物质水解氧化反应液放氢的“还原催化”两步反应进行串联,期间无需分离纯化,制氢产率高达95%;伴生的CO2经碱液捕获转化为碳酸盐,产生的CO及CH4的含量分别低于22 ppm及2 ppm;制取的氢气能直接应用于氢燃料电池转化为电能。该制氢路线的中间体甲酸可以作为氢存储体,能够按需制氢(图A)。10克级放大反应的产氢速率达到3.9 L H2 h-1。同时用剪刀剪碎的麦秆代替200目麦秆粉末进行10克级放大反应(图B),制氢产率为85%。研究团队进一步以麦秆为例,对生物质水解氧化反应液进行成份分析,并对制氢过程进行机理研究,指出中间体甲酸脱羧是制氢的决速步骤,为此类反应的新型催化剂研发提供了参考。

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