基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法技术

本发明专利技术公开了一种基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法，其特征在于，将生物质制成生物炭作为碳基燃料，同时经活化处理后形成多孔炭作为载体负载过渡金属或贵金属，形成金属/多孔炭复合电催化剂，并与扩散层、质子交换膜构成膜电极，装入电化学池；将生物炭浆液、水分别装入储液罐，保持电解液在储液罐与质子交换膜电化学池之间的循环流动，通入恒电压或恒电流，持续生成H

Electrochemical reforming of biochar for hydrogen production based on multi-stage utilization of biomass

【技术实现步骤摘要】
基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法
本专利技术涉及一种基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法，属于能源清洁利用和制氢

技术介绍
近年来，将传统能源与水电解相结合，围绕煤等碳基燃料的电化学重整(简称电重整)制氢这一技术展开了广泛的研究与讨论。碳基燃料作为阳极反应物替代传统水电解阳极的析氧过程，阴极保持水的析氢过程，常温25℃条件下析氧理论最低电势要求1.23V，而碳氧化电势最低为0.21V，可以显著降低电化学反应分解电压。热力学分析表明，原水电解所需能量的60％可以由碳基燃料以化学能的形式提供，从而极大地减少了电能的输入。若与太阳能光伏发电、风力发电等可再生能源发电系统结合，可以实现低成本、低碳和分布式制氢。阳极碳源和运行条件是影响电化学重整过程的重要因素。阳极碳源包含了商业碳材料(活性炭、炭黑、石墨等)、碳氢燃料(甲醇、乙醇、甲烷等)以及煤和生物质等固体燃料，其中煤和生物质在来源和成本上更具优势。此外，虽然低温(<100℃)电重整在动力学上不及高温(700-1000℃)电重整，但是低温条件具有易于实现、对材料要求低和能耗低的显著优势。尤其是低温质子交换膜(PEM)电重整方式效率高、响应时间快、膜两侧产物纯度高和占地面积小，可以应付可再生能源电力0～150％的波动。当前有关煤、活性炭、石墨或炭黑等固体碳燃料在PEM电重整的研究，阳极通常采用Pt、Ru、Ir、Rh等贵金属和双金属及其氧化物，或者负载于碳基质和Ti网上，阴极主要以Pt或者Pt/C作为析氢电极。这些电极同时也起到催化作用，但是原料有限且成本高昂。过渡金属(Fe、Ni等)在自然界中有较高的储量和理论活性，如果将过渡金属纳米颗粒嵌入碳基质中形成复合纳米结构，有利于提高电催化活性，成为贵金属催化剂有前景的低成本替代物。当前煤和生物质面临成分和结构复杂、氧化机理复杂且氧化过程迟缓、与电极难以有效接触、生成副产物等困难。近年来通过生物质裂解炭化制取生物炭在能源环境领域得到了广泛研究和应用。生物炭孔隙结构发达、比表面积较大、固定碳含量高、杂质成分相比生物质更加简单，且相比传统活性炭和石墨等碳材料价格低廉。根据前期研究发现碳基燃料比表面积大和煤中固定碳含量高时可促进碳氧化，更有利于产氢。因此，比表面积大和碳含量高的生物炭可以作为电重整制氢的理想碳基燃料，而且生物炭经活化等处理后获得的多孔炭可以替代商业碳材料作为催化剂的良好载体。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：当前煤等固体碳基燃料低温电化学重整过程氧化速率慢和电催化剂来源和成本受限的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术的一个技术方案是提供了一种基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：对生物质进行炭化制取不同组成、结构和理化性质的生物炭，并与酸性电解质配置成生物炭浆液；步骤2)：将生物炭活化处理后形成多孔炭作为载体负载过渡金属或贵金属，形成不同组成和结构的过渡金属-贵金属复合金属/多孔炭电催化剂，并与扩散层、质子交换膜构成膜电极，装入质子交换膜电化学池；步骤3)：将生物炭浆液、水作为电解液分别装入阳极储液罐、阴极储液罐，控制电解液的温度，保持电解液在储液罐与质子交换膜电化学池之间的循环流动；步骤4)：对质子交换膜电化学池通入恒电压或恒电流，阴极储液罐、阳极储液罐内持续生成H2和CO2气体。优选地，所述步骤1)中的酸性电解质为H2SO4、H3PO4或HCI。优选地，所述步骤2)中的过渡金属为Fe、Ni或Co。优选地，所述步骤3)中温度为298-373K。本专利技术针对当前煤等固体碳基燃料低温电重整过程的电化学氧化速率缓慢和电催化剂来源和成本受限的问题，从来源丰富的生物质多级利用出发，利用生物质制备出比表面积大且碳含量高的生物炭作为碳基燃料，同时生物炭经改性后作为炭载体与过渡金属或贵金属结合形成复合金属/多孔炭电催化剂用于催化生物炭转化，两者的同步进行旨在促进阳极生物炭氧化反应、提升电流密度及增强电重整过程稳定性，构建更有利于CO2、H2生成的生物炭低温PEM电重整体系，实现高效率和低成本产氢以及低碳排放。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术从来源丰富的生物质多级利用出发，利用生物质炭化制备出比表面积大且碳含量高的生物炭作为碳基燃料，同时生物炭经改性后作为多孔炭载体与过渡金属或贵金属结合形成复合金属/多孔炭电催化剂用于催化生物炭转化，构建更有利于CO2、H2生成的生物炭低温PEM电重整体系，有利于促进阳极生物炭氧化反应、提升电流密度及增强电重整过程稳定性，实现高效率和低成本产氢以及低碳排放。附图说明图1为生物炭电化学重整制氢装置的示意图；图2为热解和水热生物炭电化学重整电流密度随时间的变化图；图3为改变浆液流速的热解炭电化学重整产氢变化图；图4为在不同阳极浆液流速下的多种固体碳基燃料电化学重整产氢特性图。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。如图1所示，为实施例1-3中生物炭电化学重整制氢装置的示意图，其包括质子交换膜(PEM)电化学池、电源1和两个电解液储液罐(阳极储液罐5和阴极储液罐6)。其中，质子交换膜电化学池包括阳极室2、阴极室4和两者之间的膜电极3，生物炭浆液和水分别在阳极储液罐5和阴极储液罐6内与质子交换膜电化学池之间利用泵7循环流动，阳极储液罐5和阴极储液罐6的出口处分别生成CO2和H2。实施例1将水稻壳在600℃下热解炭化制取热解生物炭，配置H2SO4电解质浓度1mol/L、生物炭浆液浓度0.01g/mL的生物炭浆液；利用KOH溶液对生物炭浸渍后热解活化形成多孔炭，再与H2PtCl6·6H2O经浸渍还原反应将Pt均匀负载于多孔炭表面，形成20wt％Pt/C电催化剂；将该电催化剂以负载量0.25mg/cm2与碳纸、Nafion117膜经热压形成膜电极后装入图1中的质子交换膜电化学池中；控制生物炭浆液和水均以流量30mL/min在质子交换膜电化学池与储液罐之间循环；通入恒电压1.3V，阴极产生H2。实施例2将水稻壳在500℃下热解炭化制取热解生物炭，配置H2SO4电解质浓度1mol/L、生物炭浆液浓度0.01g/mL的生物炭浆液；利用KOH溶液对生物炭浸渍后热解活化形成多孔炭，再与Fe(NO3)3·9H2O经浸渍还原反应将Fe均匀负载于多孔炭表面，形成20wt％Fe/C电催化剂；将该电催化剂以负载量0.25mg/cm2与碳纸、Nafion117膜经热压形成膜电极后装入图1中的质子交换膜电化学池中；控制生物炭浆液和水均以流量15mL/min在质子交换膜电化学池与储液罐之间循环；通入恒电压1.3V，阴极产生H2。实施例3将花生壳在200℃下水热炭化制取水热生物炭，配置HCl电解质浓度1mol/L、生物炭浆液浓度0.01g/mL的生物炭浆液；利用KOH溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1)：对生物质进行炭化制取生物炭，并与酸性电解质配置成生物炭浆液；/n步骤2)：将生物炭活化处理后形成多孔炭作为载体负载过渡金属或贵金属，形成不同组成和结构的过渡金属-贵金属复合金属/多孔炭电催化剂，并与扩散层、质子交换膜构成膜电极，装入质子交换膜电化学池；/n步骤3)：将生物炭浆液、水作为电解液分别装入阳极储液罐、阴极储液罐，控制电解液的温度，保持电解液在储液罐与质子交换膜电化学池之间的循环流动；/n步骤4)：对质子交换膜电化学池通入恒电压或恒电流，阴极储液罐、阳极储液罐内持续生成H

【技术特征摘要】
1.一种基于生物质多级利用的生物炭电化学重整制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：对生物质进行炭化制取生物炭，并与酸性电解质配置成生物炭浆液；
步骤2)：将生物炭活化处理后形成多孔炭作为载体负载过渡金属或贵金属，形成不同组成和结构的过渡金属-贵金属复合金属/多孔炭电催化剂，并与扩散层、质子交换膜构成膜电极，装入质子交换膜电化学池；
步骤3)：将生物炭浆液、水作为电解液分别装入阳极储液罐、阴极储液罐，控制电解液的温度，保持电解液在储液罐与质子交换膜电化学池之间的循环流动；
步骤4)：对质子交换膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：应芝，郑晓园，豆斌林，崔国民，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31