非糧生物質(zhì)燃油技術(shù)

圖. 非糧生物質(zhì)制氫示意圖

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：21472145、21305117）等資助下，西安交通大學(xué)李洋研究員團(tuán)隊(duì)和德國萊布尼茨催化研究所Matthias Beller教授課題組合作，以“一鍋兩步”法作為研究思路，發(fā)展了一種在相對(duì)溫和條件下從非糧生物質(zhì)中高效、高選擇性地制氫方法，是生物質(zhì)制氫研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。研究成果以“Streamlined Hydrogen Production from Biomass（新型高效生物質(zhì)制氫）”為題，于2018年4月30日在Nature Catalysis（《自然· 催化》）上在線發(fā)表。論文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41929-018-0062-0。

隨著人類社會(huì)能源供給主要依賴的化石資源日益枯竭，以及此類能源利用過程中導(dǎo)致的CO2排放持續(xù)增加、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，尋找大量豐富的可持續(xù)清潔能源已成為全世界關(guān)注的重要科學(xué)問題。H2的燃燒熱高、燃燒過程零污染，并且可通過氫燃料電池高效轉(zhuǎn)化為電能，是理想的清潔能源載體。生物質(zhì)可再生周期短，其中的碳元素源于自然界的CO2。因此生物質(zhì)制氫伴生的CO2是一個(gè)碳的中性排放過程（CO2-neutral emission）。以非糧生物質(zhì)為原料制氫可以避免和糧食資源沖突，并且有利于CO2減排。迄今為止，主要轉(zhuǎn)化方法有高溫氣化（7001400 °C）、催化熱解（3001000 °C）或超臨界水氣化（溫度 3 374 °C，壓力 3 217 atm）等，高能耗、高成本以及低選擇性給這些方法的應(yīng)用帶來了很大的局限性。因此，發(fā)展低能耗、高效及高選擇性地從非糧生物質(zhì)制氫將為可持續(xù)清潔能源問題提供一個(gè)理想的解決方案。

均相催化有可能解決上述問題，但報(bào)道的利用生物質(zhì)的單體葡萄糖通過一步法直接制氫的產(chǎn)率不超過5%。李洋研究員團(tuán)隊(duì)和Matthias Beller教授課題組合作，發(fā)展了利用非糧生物質(zhì)，如麥稈、玉米稈、水稻稈、蘆葦、甘蔗渣、竹屑，以及日常生活垃圾，如硬紙板、廢報(bào)紙為原料的“一鍋兩步”制氫方法，即：把160°C下生物質(zhì)中的主成份纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為甲酸的“氧化催化”和90 °C下生物質(zhì)水解氧化反應(yīng)液放氫的“還原催化”兩步反應(yīng)進(jìn)行串聯(lián)，期間無需分離純化，制氫產(chǎn)率高達(dá)95%；伴生的CO2經(jīng)堿液捕獲轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，產(chǎn)生的CO及CH4的含量分別低于22 ppm及2 ppm；制取的氫氣能直接應(yīng)用于氫燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。該制氫路線的中間體甲酸可以作為氫存儲(chǔ)體，能夠按需制氫（圖A）。10克級(jí)放大反應(yīng)的產(chǎn)氫速率達(dá)到3.9 L H2 h-1。同時(shí)用剪刀剪碎的麥稈代替200目麥稈粉末進(jìn)行10克級(jí)放大反應(yīng)（圖B），制氫產(chǎn)率為85%。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以麥稈為例，對(duì)生物質(zhì)水解氧化反應(yīng)液進(jìn)行成份分析，并對(duì)制氫過程進(jìn)行機(jī)理研究，指出中間體甲酸脫羧是制氫的決速步驟，為此類反應(yīng)的新型催化劑研發(fā)提供了參考。

作者：康強(qiáng) 黃寶晟 陳擁軍

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