中国粉体网讯 氢气是一种理想的二次能源，根据质量的不同，任何其他燃料在燃烧过程中释放的能量都低于氢释放的能量，CH4、汽油和煤的单位质量热值预计分别比H2低2.4、2.8和4倍。目前氢燃料电池已经少量应用于汽车领域，而且随着该产业的持续研究，在未来的人类生活中将会广泛应用。
氢气制备方式
氢的供应主要有2种途径：一是采用压缩氢气(包括液态、气态)及储氢材料储氢；二是通过化学方法现场制氢。从长远来看，由于资源的匮乏及环境保护的要求，利用可再生资源如生物质乙醇、天然气等碳氢燃料制氢将成为主要的制氢方式。当前美国、加拿大、日本以及欧盟都在进行对甲醇、乙醇、天然气、柴油、汽油等燃料重整制氢技术的研发工作。
用于重整制氢的方式主要包括水蒸气重整(SR)、部分氧化重整(POX)和自热重整(ATR)制氢3种。SR是吸热反应，可用燃料电池排出的废气作为燃料提供反应所需的热源。但是SR反应装置复杂，需要外界供热的问题一直困扰着该技术的实际应用。POX为放热反应，具有启动快、效率高和便于小型化等诸多优点，但使用该方法的产品气中氢纯度较低，一氧化碳浓度过高。将SR和POX两者有效地结合起来，即ATR是移动制氢的重要发展方向。
陶瓷微反应器
微反应器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于化学反应的三维结构单元，通常是指含有当量直径小于500μm的流体通道的反应器。在这种狭窄的流体通道中，动边界层厚度大大减小，平均热、质扩散距离大幅度缩短，使得微通道内的燃料重整能够利用快速表面反应动力学的固有特性，通过微通道表面形成的高活性催化剂达到加快催化反应的目的。
按照材质，微反应器可分为陶瓷基、金属基和高分子基微反应器等。陶瓷材料因具有较高的化学稳定性和热稳定性，在高温、高机械强度和重腐蚀等苛刻环境下，具有比金属等传统材料更优越的性能。陶瓷材料制备的微反应器不仅具备微化工技术的优点，还便于催化剂的负载和实现气液固三相反应。
陶瓷基多孔光催化膜微反应器
1、氧化铝陶瓷微反应器
氧化铝陶瓷加工工艺较简单，是目前应用最广泛的陶瓷材料。氧化铝陶瓷制品耐高温、抗腐蚀，能长期在1600℃的温度下使用，制备所用粉料粒径小且分布均匀，可满足陶瓷基微反应器的加工要求，但是氧化铝高温烧结易收缩变形，导致微结构成型率低。
2、碳化硅陶瓷微反应器
碳化硅陶瓷是良好的高温结构材料，能够在1200～1400℃中仍保持高的抗弯强度，也是目前高温强度最高的陶瓷。碳化硅优良的导热性和抗冲击性弥补了氧化铝陶瓷脆性大、导热差的缺陷。碳化硅陶瓷易于机械加工，是目前商业陶瓷微反应器制备的主要材料。
陶瓷微反应器制氢系统组成
利用碳氢化合物转化成氢气的重整制氢系统通常由以下几部分组成：换热器(气化、传热等)、燃烧加热器(或电加热)、重整反应器(POX、SR、ATR)、CO去除装置。如果氢气提供给燃料电池堆，同样，燃料电池阳极排放的废气作为催化燃烧单元的燃料，为气化和合成气转化单元提供反应所需的热量。
重整催化制氢研究状况
1、重整催化制氢反应机理
以乙醇水蒸气重整反应制氢为例，其反应原理为：
CH3CH2OH+H2O—4H2+2CO
CH3CH2OH+3H2O—6H2+2CO2
目前，乙醇水蒸气重整制氢的主要研究工作是从热力学上对反应进行分析，由于这个反应体系非常复杂，副反应也比较多，对其反应机理还不是非常明确。一般认为的机理主要有如下两种：
（1）醇脱氢生成乙醛和氢气，部分乙醛会继续和表面的氧作用生成乙酸盐形式，然后进行分解生成CH4和CO2，部分的乙醛会直接进行裂解生成CH4和CO。CO发生水煤气变换反应生成CO2和H2，CH4发生重整反应生成碳的氧化物和H2。当然有部分的CO在表面富氧的条件下直接氧化为CO2。
（2）乙醇脱水生成乙烯和氢气，部分乙烯快速发生重整反应，生成CO和H2，部分直接脱附，存在于产物中。CO发生水煤气变换反应生成CO2和H2。其中反应的活性位大部分为金属原子，但不同的载体有时提供不同的吸附位。
2、重整制氢催化剂研究进展
以乙醇为例，对于乙醇重整催化剂的选择，目前主要分为三类：
（1）Ru、Rh、Pd等贵金属；
（2）Cu、Ni、Co等非贵金属；
（3）其他催化剂。
陶瓷材料具有耐高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损等优点，部分陶瓷材料还是优良的催化剂载体。利用陶瓷来制作微陶瓷反应器，特别适合研究在高温下的微反应，以及气相催化反应等，用多孔陶瓷孔道内催化剂的负载和结构特征对甲醇、乙醇重整制氢就是个非常有潜力的应用。
中国粉体网将在郑州举办“2021第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”。届时，来自湖南大学的肖汉宁教授带来题为《多孔陶瓷微反应器制备及其在重整制氢中的应用》的报告。肖汉宁教授将在报告中展示不同孔径和孔结构碳化硅和氧化铝陶瓷微反应器的制备技术，探讨了多孔陶瓷孔道内催化剂的负载量和结构特征对甲醇、乙醇重整制氢在不同温度下的转化效率和产氢量的影响，为大功率长续航氢燃料电池汽车的发展提供了新的技术路线。（鉴于当前防控需要，原定于2021年8月13-14日在郑州喆鹏酒店举办的“第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”将延期举办，计划参会的单位可以联系会务组，具体举办日期主办方确定后将第一时间通知您！）
专家介绍：
肖汉宁，湖南大学教授，博士生导师，陶瓷研究所所长，享受国务院政府特殊津贴专家。1991年在湖南大学获博士学位，1994-1995留学日本，从事博士后研究。1995年晋升为教授。现任中国硅酸盐学会理事，中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会理事长，中国电工技术学会电工陶瓷专业委员会副主任，湖南省硅酸盐学会副理事长等。《无机材料学报》、《硅酸盐学报》、《功能材料》等杂志编委。
肖汉宁教授长期从事先进结构陶瓷、多孔陶瓷、高性能陶瓷膜、结构-功能一体化陶瓷、微晶玻璃等研究。先后主持国家重点基础研究计划、国家863计划、国家自然科学基金、政府间国际科技合作和国防军工等国家和省部级科研项目30多项。研究成果先后获得国家技术发明二等奖1项，省部科技进步一等奖1项、二等奖3项。在国内外学术期刊发表论文280多篇，出版《高性能结构陶瓷及其应用》专著1本，获授权发明专利30多项。
参考来源：
[1]李吉刚等.微反应器在重整制氢系统中的应用与进展
[2]李永恒等.氢气制备技术的研究进展
[3]刘润阳等.陶瓷基微反应器制备的研究进展
[4]王俊.陶瓷微反应器的制作以及高温气相催化微反应的研究
（中国粉体网编辑整理/山川）
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