一种直接光热转换甲醇制氢的方法与流程

本发明属于氢气制备技术领域，具体涉及一种直接光热转换甲醇制氢的方法。

背景技术：

氢气作为未来不可缺少的燃料，在燃料电池、化学处理和航空等领域有着广泛的应用。氢的产生可以来自水、天然气、煤或生物质。然而，一些制氢方法存在一些缺陷。水通过热吸收直接裂解需要高达2500k以上的高温，其热源可由太阳能提供。但其需要一种特殊的设备将氢和氧混合物分离出来，放置其再次生成水或者易爆炸。煤炭气化可以产生大量的氢气，但煤炭是稀有和不可再生的。生物质制氢技术也是另一个制氢途径，但是在制氢过程中，大多仍需一定量的氢气作为推动剂。目前，甲醇水蒸气重整或甲醇分解是实现天然气制氢的重要途径。众所周知，在所有的醇中，甲醇是最简单的，因为它只有一个碳原子。强c-c键可以在250℃左右进行重整，这比其它燃料的低。而甲醇裂解或者甲醇重整都是吸热反应：ch3oh+h2o——co2+3h2∆h=50.7kjmol⁻¹，即利用甲醇与水混合蒸汽在250度高温下与催化剂发生反应。太阳能作为一种可再生能源，取之不尽、用之不竭的优势，能够满足全球能源需求。将太阳能利用于催化制氢将是一大进步和突破。目前已有专家提出利用抛物槽聚光太阳能给钢管或者透明管子（内含催化剂）加热，将甲醇与水混合蒸汽通入管内进行催化产氢，但其甲醇与水蒸汽的产生仍利用了辅助能源，该能源的使用也在一定程度上消耗了能量，且整体装置耗资大。除此之外，传统甲醇制氢方法通过聚光照射钢管从而向催化剂传递热量，此过程热量传递环节多，导致热阻大，且钢管表面温度高，辐射传热损失大，而且仅靠表面吸收热量，整体太阳能利用率低，这些均会增强热损失，降低太阳能利用率，除此之外，也有专家利用光催化甲醇制氢，但其产氢效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术利用甲醇制氢所存在的技术问题，提供一种直接光热转换甲醇制氢的方法，通过利用纳米流体的光热转换性能，充分利用太阳能，从而促进催化液体层高效蒸发，反应液持续供给，从而使得直接于催化层蒸发与供液平衡，并在气液层，利用光热耦合催化实现催化产氢目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种直接光热转换甲醇制氢的方法，利用毛细作用使甲醇反应液浸润纳米催化剂形成纳米流体，通过聚光照射使纳米催化剂周围的甲醇反应液蒸发，同时甲醇反应液持续供给，从而在气液交界处产生氢气。

进一步地，所述甲醇反应液是水和甲醇的混合液。

进一步地，所述水和甲醇混合液中水和甲醇的摩尔比为1：1-1：2。

进一步地，所述纳米催化剂同时具有强光吸收特性和催化特性。

进一步地，所述聚光照射的光照强度为10-20kw/m²。

在本发明利用毛细效应，使得纳米催化剂不停向上传输反应液，形成纳米流体，结合纳米流体的强光吸收特性，在太阳光的聚光照射下，反应液逐渐蒸发，反应液持续向催化剂供给，起先催化层的温度不停升高，直至蒸发速度与液体供给速度平衡时，温度保持稳定，此时，在气液交界处催化剂上表面稳定产生氢气。利用太阳能作为反应热源，不仅提供甲醇与水蒸发所需热量，也提供催化所需的反应热，且其催化产氢快。整体催化实验可利用太阳能作为热源，绿色环保，且该催化装置简单方便，能够减少制造成本。

附图说明

图1为本发明的直接光热转换甲醇制氢方法原理；

图2为实施例1中所构建的催化反应器；

图3为实施例1中所构建的催化剂承载器；

其中：1为催化剂、2为多孔平板、3为反应液、4为气液交界、5为生成气、6为海绵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提供了一种直接光热转换甲醇制氢的方法，利用生物蒸发原理，通过纳米流体局部加热，在多功能纳米催化剂表面同时实现蒸发与催化，从而产生氢气。

具体地，如图1所示，利用多功能材料作为催化剂1，在毛细作用下，纳米催化剂逐渐被甲醇反应液3浸润，形成纳米流体，在聚光照射下，纳米流体因其强光吸收特性，将太阳能转化为热能，使得反应液快速蒸发，同时反应液持续供给，在气液交界处4催化剂表面匀速产生氢气5。

作为催化剂的多功能材料需具有强光吸收特性以及催化特性双效特性。

在聚光照射下，起先催化层温度不断升高，直至蒸发速度与液体供给速度平衡时，温度保持稳定，从而匀速产生氢气。调整催化剂浸润时间，浸润时间越短，温度越低；浸润时间越长，温度高，产气快。调整水/甲醇摩尔比，摩尔比越大，液位高，温度低；摩尔比越小，液位越低，温度越高，产气越快。聚光强度越小，温度越低；聚光强度越高，温度高，产气快。

下述实施例以购入的cuo/zno/al2o3商业催化剂作为产氢催化剂，利用上述方法和简易装置，分别通过改变催化剂浸润时间、水/甲醇摩尔比以及光照强度三个方面进行举例说明产氢情况，从而证明该直接光热转换甲醇制氢方法的可行性以及其优势。

实施例1

在实验室中，本实施例是通过图2和图3所示的简易装置实现上述方案的。将催化剂1平铺于多孔平板2上，在毛细作用下，海绵6吸收反应液3向催化剂1供给，催化剂1逐渐吸满反应液3，形成纳米流体，在聚光照射下，表层液体快速蒸发，同时，底部液体持续供给，在蒸发与供给平衡时，在气液交界处4催化剂表面催化产生氢气5。

仪器连接，将配置好摩尔比为1.5的159.5ml水/甲醇混合液通过进液瓶倒吸入反应瓶内，随后等待催化剂的自我吸润，设置光照强度为17kw/m²。等催化剂吸满混合液后打开灯源开关，在聚光照射下，开始反应，在其温度稳定时收集气体。

此案例发现，在159.5ml进液量，且水/甲醇混合液的摩尔比为1.5时，催化剂的浸润时间为23min，此时平衡时候催化层温度为168℃，此时的催化产氢速率为2.0ml/s.

实施例2

实验装置与实施例1相同。

仪器连接，将配置好摩尔比为1.25的159.5ml水/甲醇混合液通过进液瓶倒吸入反应瓶内，随后等待催化剂的自我吸润，设置光照强度为17kw/m²。等催化剂吸满混合液后打开灯源开关，在聚光照射下，开始反应，在其温度稳定时收集气体。

此案例发现，在159.5ml进液量，且水/甲醇混合液的摩尔比为1.25时候，此时平衡时候催化层温度为198℃，此时的催化产氢速率为2.3ml/s。

实施例3

实验装置与实施例1相同。

仪器连接，将配置好摩尔比为1.5的159.5ml水/甲醇混合液通过进液瓶倒吸入反应瓶内，随后等待催化剂的自我吸润，设置光照强度为12kw/m²。等催化剂吸满混合液后打开灯源开关，在聚光照射下，开始反应，在其温度稳定时收集气体。

此案例发现，在159.5ml进液量，且水/甲醇混合液的摩尔比为1.5时候，催化剂的浸润时间为23min，改变聚光功率至12kw/m2，此时平衡时候催化层温度为136℃，此时的催化产氢速率为0.8ml/s。