纳米介孔组装多功能载氧体连续催化吸附强化化学链制氢作用机制

Because of strongly endothermic reactions and chemical equilibrium limit in the hydrogen production from conventional steam reforming, energy consumption is very high, the hydrogen purity is not high, and CO2 emission is not evitable. In this study, the mesoporous montmorillonite was first synthesized by molecular layer column space template method. The catalyst component of MgO-NiO-Al2O3 is supported on montmorillonite by the chemical doping induced under the ultrasound, and the multifunctional heterostructure oxygen carrier by fine modulation of surface active center was developed. A new technology of the continuous catalytic sorption-enhanced chemical-looping steam reforming for hydrogen production will be constructed based on the structure and surface effect of oxygen carrier by combining the partial oxidation, reforming, water gas shift (WGS), and in-situ CO2 removal, which will also be carried out from nano mesoporous to micro cluster scale multiphase reaction. The reforming reactor was continuously operated at auto-thermal state and the process produced an enriched hydrogen product at low temperatures. The process is characterized using lump moving-bed reactors by continuous reaction and regeneration of oxygen carrier always in their fresh states for the production of high purity hydrogen at low temperatures, and CO2 is recovered. The project will focus on the multiphase mixture and flow, heat-mass transfer, chemical reaction and variable window regulation of coupling enhanced process by equilibrium shrift, and determine the quantitative relation between structure and performance of oxygen carrier. The factors on long-term stability of continuous reactions will be revealed. The active site types, distribution and quality of oxygen carrier related to some specific reactions will be determined by In-situ Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS). The theoretical model will be set up, and the mechanisms on improving hydrogen purity, selectivity and conversion of biomass will be studied.

常规水蒸气重整制氢，受强吸热和反应平衡限制，能耗很高，氢气纯度不高，过程排放CO2；本项目以分子层柱空间模板法合成介孔蒙脱石，以超声诱导化学掺杂技术，将MgO-NiO-Al2O3纳米组装，精细调变表面活性中心，构建多功能异质结构载氧体，以显著的结构、表面效应，耦合含碳原料部分氧化、重整、水汽变换与CO2原位吸附，从纳米介孔到微区聚团尺度多相反应制氢，建立连续催化吸附强化化学链蒸汽重整制氢新技术，以气固移动床实现载氧体连续流动、反应和再生，使其始终处于近新鲜状态，自热、低温连续制取高纯度氢气并回收CO2；项目重点研究体系多相混合传递、反应及引起制氢平衡移动耦合强化作用理论与调控规律，确定载氧体结构、性能的关系及变化，揭示影响连续长周期制氢稳定性的因素，利用原位漫反射红外光谱研究表面活性位类型、分布和性质，并与特定反应关联，建立理论模型，弄清大幅提高工艺产氢纯度、选择性和原料转化率的机理途径。

纳米介孔载氧体的制备、构效与介尺度作用是多相反应体系关键问题，是开发新类型重整制氢反应器的基础。本项目针对传统化石水蒸气重整制氢，受强吸热和反应平衡限制，操作温度较高，氢气纯度不高，过程排放CO2。研究纳米介孔载氧体连续吸附强化化学链制氢现象，以不同结构尺寸的载氧体氧传递的化学链过程，通过动力学上的耦合，高效率原位吸附分离CO2，使制氢关键可逆反应转变为非平衡的不可逆过程，持续不断的向生成氢气的有利方向进行，在较低温度实现一步制取高纯度氢气，融合不同尺度反应分离与多相流动传递信息，提出并构建了慢速移动床连续吸附强化化学链制氢新体系。项目重点研究探索了不同纳米介孔载氧体在不同尺度的性能与结构调控，解决了传统制氢频繁再生和过程不连续等问题，使传统制氢技术真正走向了节能高效和连续化生产，不在被积碳问题困扰。项目重点研究了此新工艺制氢耦合、强化变量窗口及影响因素规律，揭示连续催化化学链重整CO2原位吸附特性、动力学及引起制氢关键反应平衡移动的作用原理，利用多种光谱测定了载氧体催化剂、吸附剂表面活性中心类型、分布，研究了其在连续反应-再生过程的结构与性能的变化规律，建立了连续移动床和交替固定床化学链制氢方法。研究使常规水蒸气重整制氢较大幅度的节省产品分离工序、节约能耗和节约用水，满足不同规模、不同原来制氢的需求，是国际具应用前景的新的制氢途径。. 本项目研究结果以：“可再生原料CO2原位吸附强化制氢理论与方法”，获2016年度辽宁省自然科学奖二等奖（本项目负责人排序第一）；“煤气化联合吸附强化制氢关键技术与应用”，获2017年中国机械工业科学技术奖二等奖（本项目负责人排序第一）。发表国际SCI收录论文15篇，其中SCI影响因子IF: 5.0以上5篇，8篇SCI论文标注了本基金号码第一。国内论文1篇。连续吸附强化重整装置与工艺获发明专利授权， 2015年、2016年和2017年总计ESI高被引论文7篇。