CeO2-Fe2O3 化学链制氢特性实验研究

论文总字数：25479字

摘 要

本文对Fe₂O₃/CeO₂载氧体的负载量及制备方法进行了研究，以期得到反应活性和循环性能更好的铁基载氧体。

在850℃下分别对不同负载量载氧体进行氧化还原循环实验，并对反应前后的载氧体进行了SEM、EDS及XRD表征。综合考虑反应活性和制氢量，Fe6Ce4是化学链制氢中最合适的Fe₂O₃/CeO₂载氧体。表征显示，伴随着氧化还原进行生成的Fe-Ce固溶体和CeFeO₃钙铁矿弥补了载氧体表面烧结的恶劣影响，载氧体在经历氧化还原循环后依然保持较高的反应活性、循环稳定性和氢气产率，抵消了载氧体烧结造成的负面影响，保证了载氧体的稳定性。

此外，本文分别采用三种方法制备了Fe₂O₃/CeO₂载氧体，探究不同制备方法载氧体化学链制氢性能间的差异，结果表明，溶胶凝胶法制备的载氧体氢气产量最高，且还原阶段反应活性和水蒸气氧化阶段H₂浓度也有明显的优势。溶胶凝胶法制备的载氧体具有粉末粒径较小、活性氧化物与惰性载体混合均匀的优点，这有利于Fe-Ce固溶体的形成，加速氧的迁移，使载氧体保持了循环稳定性，且在反应活性上还有所提升。

关键词：化学链制氢；Fe₂O₃/CeO₂载氧体；负载量；制备方法；溶胶凝胶法

Investigation of Characteristics of CeO₂-Fe₂O₃ Oxygen Carrier for

Chemical Looping Hydrogen Generation

ABSTRACT

In order to find the CeO₂-Fe₂O₃ oxygen carrier with better reactivity and cycle performance, the loading and preparation of oxygen carrier was investigated in this paper.

The redox cycle tests were carried out at 850 ℃ for different loading carriers, and all the oxygen carriers were characterized by SEM images, EDS analysis and XRD patterns before and after the redox cycles. The experimental results showed that Fe6Ce4 was the most suitable Fe₂O₃ / CeO₂ oxygen carrier in chemical looping hydrogen, considering the reactivity and hydrogen yield. The results indicated that the oxygen carrier suffered serious sintering problem, but the Fe-Ce solid solution and CeFeO₃ which was generated during the redox cycles increased oxygen migration capacity, rendering high reactivity stability and hydrogen yield for the oxygen carrier after the cycles, counteracted the negative effects originated from sintering and guaranteed the stability of the oxygen carrier.

In addition, three kinds of iron-based oxygen carriers with CeO₂ as inert carriers were prepared by mechanical mixing method, co-precipitation method and sol-gel method respectively. The results show that the hydrogen was the highest for the oxygen carriers manufactured by sol-gel method. Compared with the co-precipitation method and the mechanical mixing method, the reaction activity and the H2 concentration in the steam oxidation stage for the oxygen carrier made by sol-gel method have obvious advantages. For the oxygen carriers prepared by sol-gel method, the particle size of powder is quite finer, and the active oxide is mixed evenly with the inert carrier, which is conducive for the formation of Fe-Ce solid solution, accelerating the migration of oxygen and keeping the oxygen, the reactivity can be also improved.

KEY WORDS: chemical-looping hydrogen generation (CLHG); Fe₂O_3/CeO₂ oxygen carrier; loading; preparation method; sol - gel method

目 录

摘要 1

ABSTRACT 2

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.1.1能源发展趋势 1

1.1.2氢能现状 1

1.2主要制氢方式研究现状 2

1.2.1天然气蒸汽重整制氢法 2

1.2.2生物质制氢 3

1.2.3煤气化制氢 4

1.2.4水电解制氢 5

1.3化学链制氢国内外研究现状 5

1.3.1化学链燃烧 5

1.3.2化学链制氢 6

1.3.3载氧体研究 7

1.4本文的研究目标和内容 7

1.4.1本文研究目标 7

1.4.2本文研究内容 8

第二章 实验装置及载氧体制备 9

2.1实验装置 9

2.1.1小型流化床反应器 9

2.1.2扫描电子显微镜（SEM） 9

2.1.3X射线衍射仪(XRD) 9

2.1.4X射线能谱仪（EDS） 10

2.2载氧体的制备 10

2.2.1机械混合法 10

2.2.2共沉淀法 10

2.2.3溶胶凝胶法 11

2.3实验过程 11

2.4数据处理方法 11

2.5本章小结 12

第三章 不同负载量Fe₂O₃/CeO₂载氧体化学链制氢实验 13

3.1引言 14

3.2实验装置及实验步骤 14

3.3结果与讨论 14

3.3.1不同负载量的载氧体制氢实验特性分析 14

3.3.2Fe₂O₃ / CeO₂载氧体循环特性分析 16

3.4载氧体表征 18

3.5本章小结 21

第四章 不同制备方法制备的Fe₂O₃/CeO₂载氧体制氢实验 22

4.1引言 23

4.2实验装置及实验步骤 23

4.3三种不同制备方法制备的载氧体制氢性能的比较 23

4.4溶胶凝胶法制备的Fe2O3 / CeO2载氧体循环特性分析 25

4.5本章小结 26

第五章 全文总结与展望 27

5.1全文总结 28

5.1.1探究了不同负载量Fe₂O₃/CeO₂载氧体化学链制氢反应性能的差异 28

5.1.2探究了制备方法不同对Fe₂O₃/CeO₂载氧体化学链制氢反应性能的影响 28

5.2展望与不足 29

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.1.1能源发展趋势

实现社会、经济和环境的可持续发展亟待清洁、廉价且安全的能源供应体系^[1]。而目前看来，煤炭、石油其他化石燃料将继续作为主要能源以满足大部分的能源需求。化石燃料消耗伴随着的二氧化碳对于全球变暖的影响已成为各国广泛关注的问题。因此，面临不断增长的能源需要及环境污染，人们在能源利用上关注能源转化的同时必须兼顾CO₂捕集等难题。

能源为人类存续和进步提供重要的物质基础，因此可以从能源利用的角度将人类社会发展历史划分为四个时期，分别对应薪柴、煤炭、油气和电气各能源的主导时期。随着社会对能源需求量的持续增长和低碳社会的到来，能源转型势在必行，未来世界的主导能源应该是绿色低碳的。因此，向非化石新能源的重大转换已成为必然，如太阳能、氢能等可再生能源的发展方兴未艾。观察能源利用的历史进程可以发现燃料的碳氢比是逐步减小的，这一脱碳的发展走向预示将由氢燃料主导未来的能源体系^[2]。

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