[发明专利]一种制氢催化体系、包含所述催化体系的制氢体系及其用途

说明书

本发明提供一种制氢催化体系、包含所述催化体系的制氢体系及其用途。所述的制氢催化体系包含金属纳米催化剂和生物质水溶液，所述的金属纳米催化剂催化生物质水溶液制氢，所述的催化体系的制氢效率和制氢能力由氧气的量控制，所述催化体系的制氢效率随着制氢反应体系中氧气压力或浓度的升高而增加。本发明首次利用氧气分子来控制氢气的产生速率，且该制氢方法高效，设备简单，清洁环保，容易操作，在低温下（≥0℃）即可同时实现水分解和生物质分解制氢，大大降低了能耗，甚至达到无能耗的反应条件，是一种可持续的催化方法，具有广阔的应用前景。同时，该催化体系可用于制氢、能源化工、电池、水处理、油漆涂料、功能性纺织品、室内空气净化除醛、石油化工、碳氢键活化、制药、制备含氢水等领域。

技术领域

本发明涉及能源与环境领域，特别涉及一种制氢催化体系、包含所述催化体系的制氢体系及其用途。

背景技术

随着社会经济和科学技术的发展，人类对能源和环境问题越来越关注。开发洁净、高效的新能源，解决能源短缺和环境污染问题逐渐成为当今社会发展的核心使命。氢气燃烧值高、无毒无臭、燃烧产物对环境友好，是可再生能源。氢能在满足世界未来可持续能源需求方面势必发挥着重要作用。

地球上最丰富的含氢物质是水，其次是各种矿物燃料煤、石油、天然气及各种生物质等。要利用氢能必需首先开发氢源，即研究开发各种制氢的方法。从长远看以水或生物质为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能量后又生成产物水，不造成环境污染。

许多传统的制氢方法是不可持续的，这是因为它们采用了煤、石油、天然气等化石能源作为燃料和原料，反应温度一般维持在数百摄氏度，是高能耗的反应过程，并且会排放出大量二氧化碳和一氧化碳等温室气体和有毒气体。同时，各类化石能源储量有限，随着人类的不断开采，它们的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。

具体而言，传统制氢法包括(1)水煤气法制氢、(2)以天然气或轻质油为原料制氢、(3)以重油为原料氧化法制氢和(4)电解水制氢。

水煤气法制氢是利用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气(C+H₂O→CO+H₂)，净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的CO转化成CO₂(CO+H₂O→CO₂+H₂)制取氢气。该方法制氢产量大，但设备较多，反应温度较高(通常200℃)，限制了其大规模推广应用。

以天然气或轻质油为原料制取氢气，是在有催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气，反应过程包括(1)CH₄+H₂O→CO+H₂和(2)C_nH_2n+2+nH₂O→nCO+(2n+1)H₂。该反应一般在800～820℃下进行，能耗相对较高。

以重油为原料氧化法制取氢气，其中的重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油。重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物。这类方法涉及重油和水蒸气，反应温度和能耗较高且不可持续。

电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75～85％，其工艺过程简单无污染，但消耗电量大，并且制氢效率随着氧气压力或浓度的升高而降低(因为水电解制氢反应为可逆反应)，因此其应用受到一定的限制。

除上述传统制氢方法外，目前全世界范围内兴起了光化学制氢法，是指以水为原料，光催化水分解制取氢气的方法。光催化过程是在含有催化剂的反应体系，在光照下促使水解制得氢气。该方法具有一定的开发前景，但还是需要光能的参与才会发生产氢反应，同时光催化效率一般较低，并且制氢效率随着氧气压力或浓度的升高而降低(因为光催化水分解制氢反应也为可逆反应)，因此无法大规模推广应用。