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石油等化石能源是维系当今世界高速运行和持续发展的基础,能源供应的波动牵动着世界各国的神经。随着化石能源的日益枯竭和其大量使用带来环境问题日益凸显,寻求一种能替代现有化石能源的清洁可再生能源需求十分紧迫。氢能作为一种来源广泛、清洁高效的二次能源是众多新兴能源中的一个最佳候选者。
氢能要真正替代传统能源实现大规模推广应用,主要面临以下几大挑战:1)、氢的大规模生产;2)氢的运输和储存;3)氢能的利用技术;4)氢能利用体系基础设施的构建等。其中,氢的储运技术至今还没有一种高效可靠的技术真正得到实际应用,是氢能应用技术的主要瓶颈之一。
现有储氢技术种类众多,有机液体储氢是其中一种有着很高应用前景储氢技术。有机液体储氢材料在常温下为液态、储氢量高、能够循环实现氢储存和释放,但是存在脱氢温度较高和脱氢速率较慢等问题。近来,一类具有较低脱氢温度新型有机液体储氢材料出现,为有机液体储氢技术的发展注入了新活力,其中新型储氢分子N-乙基咔唑储氢性能最为优秀。本文通过一系列实验及部分理论计算对新型储氢分子N-乙基咔唑的储氢性能进行了较为全面的研究。最后结果表明:
一、N-乙基咔唑加氢过程是一个异相催化过程,采用一般高压直接氢化技术能够简单、快速的得到全氢化N-乙基咔唑分子,全氢化分子存在三种同分异构,但能通过条件控制得到纯度较高的全氢化产物。通过动力学分析知道,加氢反应是关于液相中氢气浓度的一级反应,关于储氢有机分子的零级反应,表观活化能为83.7Kj/mol;氢气在气液界面的传质效率低是影响加氢速率的重要因素。
二、全氢化N-乙基咔唑分子的脱氢过程,实验结果显示其最低在120℃开始明显脱氢,且产氢纯度高。利用一般商业催化剂220℃,2小时氢脱附率可达5.05wt%;虽然氢脱附温度较传统有机液体储氢材料有了显著降低,脱氢速率也较之有所提高。全氢化N-乙基咔唑脱氢为一个典型异相催化反应,平行脱氢实验结果显示:温度、溶剂、搅拌对催化脱氢反应有着重要影响;不同结构全氢化分子有着不同的脱氢反应活性。通过动力学分析发现:全氢化分子脱氢分为三步逐级进行;一级脱氢活化能为55-65Kj/mol、二级脱氢活化能为96.27Kj/mol、三级脱氢活化能为126.82Kj/mol;脱氢程度越高,脱氢也越难;脱氢产物在催化剂表面的吸附是限制脱氢速率的主要原因。
三、最后,对全氢化N-乙基咔唑分子本身结构和性质研究还显示:储氢分子分子中间五元环四个氢原子取代位置不同是产生三种不同全氢化N-乙基咔唑同分异构的主要原因;通过计算模拟初步推测三种全氢化N-乙基咔唑分子结构;全氢化载体常温下化学性质稳定,能够安全方便的进行运输储存。
总的来说,新型有机液体储氢分子N-乙基咔唑较传统有机液体储氢材料较其他类型储氢材料有着明显的优势,是一种有着较高应用潜力的储氢材料分子。