氢能作为一种高效、清洁的能源载体,在未来可以和可再生能源结合构成完整的能源系统,大规模低成本制氢是发展氢能经济的基础。热化学循环水分解制氢技术通过一系列相关联的化学反应,实现将水分解为氢气和氧气,所有的中间物料内部循环使用,每步反应能够在相对较低的温度下进行。其中,硫碘循环被认为是最优流程之一,主要包括以下三个化学反应：Bunsen反应：SO2+I2+2H2O→290～390K2HI+H2SO4H2SO4分解反应：H2SO4→970～1270K H2O+SO2+1/2O2H1分解反应：2HI→570～770K I2+HH1分解反应是硫碘循环的关键产氢步骤,其分解率的高低直接影响到系统热效率及产氢速率。本学位论文对硫碘循环中HI催化分解、膜分离及两相酸纯化等方面展开了详细的系统研究。在不同碳材料负载镍对HI催化分解的影响研究中,负载镍后的催化剂活性按高低依次为Ni/AC>Ni/CMS>Ni/MWCNT>Ni/GNP,载体本身的催化活性顺序也类似；活性炭(AC)是最理想的载体,本身即是良好的催化剂,其孔径结构发达,与镍晶粒的相互作用更强,有利于镍晶粒的负载分散。在不同镍盐前驱体对Ni/AC催化分解HI的影响研究中,前驱体中阴离子对催化剂表面的镍晶粒尺寸及分布影响明显,硝酸镍与活性碳之间相互作用最强,催化活性最高,催化剂表面镍晶粒尺寸最小且分散均匀。在不同镍负载含量Ni/AC对HI催化分解的影响研究中,镍含量较低时催化剂的镍晶粒较小,均匀分散；当镍负载含量高于12%时,催化剂中的镍晶粒尺寸随着镍含量增加而增大,出现局部凝聚现象。当镍负载量为12%时,Ni/AC活性组分在活性炭表面均匀分散,镍晶粒较小,催化活性最佳。Ni/AC催化剂的主要催化活性中心为活性炭的边缘碳原子、微晶平面中缺陷和活性金属镍结晶,本文提出了Ni/AC催化分解HI反应的机理路径。在活性炭与水蒸汽损耗反应的热重分析研究中,温度低于700℃C时,本文采用的活性炭与水的损耗反应在实验湿度范围内并未发生；温度高于800℃C时,AC与H20的损耗反应开始发生；随着温度和湿度的提高,AC与H20的损耗反应明显加剧。在500℃时活性炭催化分解HI的24h连续测试实验中,改性后活性炭在HI催化分解中催化活性稳定,碳结构和表面官能团没有发生明显变化,实验后AC表面发生了一定碘吸附现象。在12%Ni/AC催化剂12h活性测试实验中,H1分解率保持在22%左右。测试后发现,12%Ni/AC催化剂孔径结构参数变差,表面的镍晶粒尺寸变大,并发生了团聚现象。考虑到活性炭价格低廉、来源丰富,易于大规模制备,其工作温度低于550℃,无论活性炭改性或作为载体都适宜作为大规模硫碘循环制氢中的H1分解催化剂。水量对12%Ni/AC催化分解HI的影响很小,而碘量对12%Ni/AC催化分解HI的影响很大。在硫碘循环中的HIx相精馏环节部分,应尽量提高HI浓度,降低水含量和碘含量,12：HI摩尔比应控制在0.01：1以下。对金属钯膜在HI-H2O气氛中的稳定性进行研究,实验前完好Pd膜的表面连续致密,没有缺陷；Pd膜经过2h稳定性测试实验后,表面被HI腐蚀剧烈,结构遭到破坏。在碳膜分离气体性能研究中,碳膜在实验温度范围内H2/Ar选择性约50～106,H2/Ar气体透过碳膜的传递方式为分子筛分机理；碳膜对混合气氛H2-H2O-HI中H1分子截留作用明显,H2渗透性能相对稳定,与单一H2气体组份测量结果一致,H2/HI选择性超过310,但对H20分子截留作用不明显；经6h的气体分离特性实验后,碳膜H2渗透性能相对于实验前略有增加,碳膜表面遭到了一定的腐蚀破坏。在硅膜分离气体性能实验研究中,相对于α-Al2O3支撑体直接化学气相沉积(CVD)方法制备硅膜,基于γ-Al2O3修饰基体而CVD制备的硅膜在保持较高选择性的同时,渗透性能大大提高,500℃C硅膜的H2/N2选择性达8.5,H2渗透速率为5.96x10-8mol·m-2·s-1·Pa-1,此时气体透过硅膜的渗透机理为分子筛分扩散机理；在H2-H2O-HI混合气体分离实验中,300～500℃范围内,H2渗透性能相对稳定,与单一H2气体组份测量结果一致。H20的渗透性能相对HI较高,大部分HI被碳膜截留,随着温度的升高,HI渗透性能提高,500℃时H2/HI选择性超过637。在HIx相和H2SO4相纯化实验研究中,温度对纯化效果的提升非常明显；进料量变小时会增加停留时间,从而提高了纯化效果；提高吹扫气浓度有利于反应生成物S02的携带脱除,从而促进了Bunsen逆反应的发生；采用氧气作为吹扫气时,可促进I-离子还原为I2单质,适用于H2SO4相纯化,但在HIx相纯化中会造成I-离子的损失。