汪爾文 ¹，張 兵 ^1*，李欣明 ¹，江 園 ¹，吳永紅 ¹，王同華 ²

（1 沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003   2 大連理工大學化工學院，大連 116024）

摘要：甲醇水蒸氣重整（SRM）是重要的分布式制氫技術，然而受熱力學平衡和動力學的限制，傳統反應器的轉化率和收率較低。本文通過在反應過程中耦合催化炭膜，憑借其催化和分離聯合作用實現強化 SRM 反應效果。采用紅外光譜、X 射線衍射、X 光電子能譜、掃描電鏡和泡壓法等手段對膜材料的化學結構、微晶結構、化學元素、微觀形貌和孔隙結構等進行了表征。考察了炭膜微結構、反應溫度等因素對 SRM 反應的轉化率和收率影響。結果顯示：反應過程中耦合催化炭膜，顯著強化了 SRM 反應效果；隨反應溫度升高，甲醇轉化率增大，而氫氣收率先升后降；當反應溫度為 240℃時，氫氣收率比固定床反應器提高 1.7 倍。

關鍵詞 ：制氫 甲醇水蒸氣重整 膜分離 催化劑

0 引言

       氫能具有“儲量大、比能高、零排放、來源廣、性穩定、易儲存和可再生”等優點，是各國競相發展 解決人類所面臨的能源與環境等重大問題的有效途徑 ^[1,2]。傳統制氫技術有礦物燃料法、電解水法、微生物法、光催化法等。其中，微生物法效率低，光催化法條件苛刻，電解水法能耗大、成本高，都無法滿足實 際應用所需的靈活性和通用性^[3,4]。當前，全球大部分氫均產自甲烷等氣態礦物烴，雖然此技術成熟且成本低，但后續壓縮、儲運、分配等復雜環節大幅抬高了終端價格；此外，由于基礎配套設施不足，該技術也不適用于交通運輸、軍事潛艇、單兵作戰電源等所需的分散氫源供給^[5]。因此，許多國家都在致力于發展分布式現場制氫技術，如甲醇水蒸氣重整制氫（SRM）^[6]。SRM 不僅原料便攜、工藝短、反應溫和，而且操作方便、副產物少，極具應用前景^[7]。但由于 SRM 是可逆強吸熱反應，且存在水汽變換與甲醇分解兩個副反應，所以在反應熱力學平衡限制下，反應轉化率與選擇性較低。除此，在給燃料電池等設備供氫前要嚴格剔除 CO、CO₂ 等雜質。所以，極大削弱了該技術的大規模發展與應用。近來，人們發現在反應過程中耦合分離膜，通過實時回收產物氫氣，能推動 SRM 反應平衡右移，從根本上提升反應效果。

       由 SRM 反應條件所限，可用的膜材料應具有優異耐熱性、化學穩定性、機械強度及分離性^[8]。Sá 等人通過模擬技術對比了炭膜與鈀膜所組裝的膜反應器對 SRM 反應效果，發現前者有利于提高氫氣回收率而后者有利于提高純度^[9]。但是鈀膜存在氫氣滲透通量低、制備成本高、潛在氫脆風險等問題，所以開發高性能 炭膜反應器更具前景和意義。研究已證實，炭膜耦合反應過程能突破某些可逆反應化學的平衡限制，提升反應效果，如環己烷脫氫^[10]、異丁烷脫氫^[11]、甲基環己烷脫氫^[12]等。本文首次開發了具有催化與分離雙重功能的炭膜，并探討了其微結構與性能對 SRM 反應強化效果及規律。本研究將有助于豐富膜材料制備技術理論，拓展催化技術理論與膜反應器，從而推動新型清潔能源在更廣闊領域的發展應用。

1 實驗

1.1 實驗材料與儀器

       原料包括市售熱塑性酚醛樹脂、六次甲基四胺、羧甲基纖維素鈉，分析級 3-水合硝酸銅、6-水合硝酸鋅、9-水合硝酸鋁、無水碳酸鈉、甲醇、乙二醇、異丙醇，及自制聚酰胺酸溶液（固含量質量分數 15%）。

1.2 材料制備

       (1) 催化劑制備。按摩爾比 Cu:ZnO:Al₂O₃=70:15:15 稱取銅、鋅和鋁的硝酸鹽，并混合；同時，稱取適量碳酸鈉粉末。分別將上述混合硝酸鹽與碳酸鈉均配成 1mol/L 水溶液，置于 60℃水浴中攪拌 30min 至完全溶解。然后將硝酸鹽溶液緩慢滴入劇烈攪拌的碳酸鈉溶液，繼續攪拌 60min，完成反應，而后靜置陳化 2h。將沉淀過濾并打漿洗滌至 pH。

       (2) 炭膜制備。包括支撐體制備和炭膜制備兩步驟。

       1) 支撐體的制備。以熱塑性酚醛樹脂為前驅體，與六次甲基四胺混合均勻，在 150℃固化 1h。隨后研磨至粒度小于 100 目粉末。加入羧甲基纖維素鈉和催化劑粉末，混合均勻，再加適量水并揉捏 20min，陳化 80min。將樣品置于壓片機在 0.3MPa 下壓制成圓片試樣，自然干燥 15 天；而后在 280℃恒溫熱處理樣品 2h，得支撐體坯胎，標記為 SP-x。其中 x 表示摻入催化劑占支撐體的質量分數。為了便于考察支撐體結構性能，接下來將 SP-x 放入炭化爐，在氮氣流量 100mL/min 保護下，從室溫升至 650℃炭化 1h，得炭化支撐體 SC-x。

       2) 炭膜的制備。以聚酰胺酸溶液為表面分離層的前驅體，以其為基準，加入其質量分數 0-1%的催化劑粉末，混合均勻。用膠頭滴管取少量涂膜液滴于支撐體坯胎表面，在旋轉涂膜儀上經轉速 1500r/min 旋涂 30s，使成膜液均勻分布在支撐體表面，經室溫干燥 6h 后，再二次涂膜，重復涂膜-干燥 3 次。最后，經室溫干燥 5 天后炭化，步驟同上。將炭膜標記為 SCM-x-y，其中 x 和 y 分別表示催化劑在支撐體和表面分離層中所占原料質量分數。

1.3 分析方法

       采用美國 PE TGA-4000 型熱重分析儀分析前驅體熱穩定性，條件為氮氣流量 20mL/min，升溫速率 20°C/min。采用 Bruke TENSORⅡ傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)在 4000-400cm^-1 波數范圍內測定了樣品表面 官能團。通過 RINT2000 型 X 射線粉末衍射儀（XRD）測定了樣品微晶結構，條件為電壓 40kV，電流 100mA， 掃描角度 10°-80°。采用 TM-3000 型掃面電鏡觀測了樣品微觀形貌，操作條件為標準模式，加速電壓 15kV。 分別采用通用的泡壓法和煮沸法測定了炭化支撐體的孔徑分布和孔隙率。采用 KRATOS AxisUltra DLD 型 X 光電子能譜（XPS）測定了樣品表面元素及化學價態。

1.4 反應性能測試

通過石墨墊片與氟橡膠墊圈將炭膜耦合組裝成膜反應器，接入圖 1 所示反應管路。在朝向炭膜進料側用玻璃棉固定 1g 催化劑，檢查系統密封性和穩定性。反應條件：進料為物質量比為 1:1 甲醇/水，進料流量 0.2mL/min；催化劑先在 180℃下經 H₂/N₂ 混合氣（體積流量比 1:5）活化 5h；而后以 N₂為載氣，升至反應溫度，啟動進料泵進行反應。采用氣相色譜儀在線檢測氣相產物并計算氫氣收率；同時，根據收集瓶內液相中剩余甲醇量，由物料衡算計算甲醇轉化率。

為了對比，本文也測定了相同條件下固定床反應器（FBR）的 SRM 反應性能。

2 結果與分析

2.1 表面官能團

       圖 2 為支撐體炭化前后 FTIR 譜圖。其中，酚醛樹脂特征峰有：醛基中 C=O 伸縮振動 3400cm^-1、酚羥 基中 O-H 伸縮振動 3300cm-1、苯環中 C-H 伸縮振動 3000cm^-1 及外表面彎曲振動 747cm^-1、苯環骨架伸縮振 動 1500cm^-1 和-CH^2-彎曲振動 1455cm^-1 [13]。而摻雜催化劑樣品中，上述特征峰強度明顯降低，表明催化劑 抑制了酚醛樹脂官能團與分子鏈的活動性^[14]。另外，隨催化劑量增大，其特征峰強度增強。炭化后，酚醛樹脂中絕大部分有機官能團均已剝落，同時殘留基體形成了類石墨化無定形碳結構^[15]。

2.2 微晶結構

       圖 3 為支撐體的 XRD 譜圖。可知，炭化前所有支撐體 XRD 譜圖形狀相似，即在衍射角為 10°-30°間出 現無定形（002）面衍射峰；而支撐體中引入催化劑則出現了 CuO 特征峰（32.5°、35.7°、48.4°）及銅鋅復 合碳酸鹽特征峰（12.1°），且隨催化劑含量增加，峰強越發明顯^[16]。

       炭化后，炭結構（002）面衍射峰顯著向右偏移且趨于平緩，且隨催化劑含量增多，趨勢更明顯。歸因于嵌入催化劑粒子改變了碳的形成演變及微晶結構。而碳酸鹽衍射峰消失，表明其已分解，析出的氣體小分子將在炭基體中營造出多孔結構。此外，在 43°處出現 Cu 特征峰，且含量越高，該特征峰越明顯，這是 由于在高溫條件下炭材料與 CuO 發生了置換反應。

2.3 微觀形貌

       圖 4 為炭化支撐體 SEM 圖片。隨支撐體中催化劑量增加，支撐體內分布的粒狀催化劑明顯趨于密集。宏觀上，支撐體表面均呈有利于后續表面復合分離炭膜層的平滑、整齊，孔隙均勻狀。相對而言，支撐體斷面孔隙結構更發達，且催化劑量較高時（如 20%）支撐體內部出現部分較大孔道，表明此時支撐體內產 生了由催化劑粒間團聚產生的較大孔隙。

2.4 孔隙結構

       圖 5 為炭化支撐體的孔徑分布曲線。可知，炭化支撐體的孔徑分布在 0.2-0.6μm 間，且隨支撐體內催化劑含量從 0%增至 20%，平均孔徑先較減小后增大。此變化歸因于催化劑對支撐體孔隙的兩種相反效應：堵孔與造孔。即當催化劑含量較小時，盡管由催化劑與炭膜基體間相分離產生了較小相界面孔隙，但催化劑 對碳基體內大孔隙的填充效果更顯著；而當催化劑含量過高時，由于催化劑粒間堆積會形成許多較大的孔隙，使平均孔徑增大。此外，孔隙率數據也證實了此規律，即 SC-0、SC-10 與 SC-20 分別為 38.13%、36.78% 與 44.66%。

2.5 化學元素

       雖然銅基催化劑具有反應條件溫和、活性高、選擇性好、造價低、應用廣等優點，但與貴金屬催化劑相比，仍易于失活，穩定性較低^[17]。鑒于此，本文將銅基催化劑引入到多孔炭膜基體內，通過高效分散反 應活性位點、優化控制反應分子傳質與反應過程，從而改善反應活性和穩定性。

       圖 6 給出了 SCM-20-0 在反應前后的 XPS 譜圖。其中，源于 CuO 中 Cu²⁺的 Cu2p 特征峰出現在 934.1eV （Cu2p3/2）和 954.2eV（Cu2p1/2）；而位于 942.4eV 和 962.2eV 兩峰則歸屬于 Cu²⁺的未滿 d 9軌道^[18]。同上， 在 Zn2p 譜圖中在 1020.9eV 和 1044.0eV 也分別出現了 Zn2p3/2、Zn2p1/2特征峰，由此可判斷催化炭膜中 Zn 為 +2 價^[19]。另外，Al2p 結合能位于 77.5eV。對比可知，反應后結合能峰強雖略減弱，但相對值未變，說明原 子化學環境未受影響，也表明反應后仍保持良好的催化活性。據報道，晶格氧與表面吸附氧的結合能分別 位于 528.5-529.7eV、530.5-533.8eV，依此可對 O1s 譜圖分峰^[20]。從結果可知，反應前后催化炭膜在 529.6eV、 530.6eV、531.7eV 處均分別出現了金屬氧化物、碳酸鹽和表面吸附氧特征峰，且相對強度未變，說明反應后氧元素的組成穩定。因此，可知催化炭膜在反應后仍比較穩定，具有良好的催化性能。

2.6 甲醇制氫反應性能評價

       表 1 給出了本文與文獻中報道的相關數據。可知，本文所制備的銅基催化劑與商業化銅基、鈀基等催化劑對 SRM 反應的甲醇轉化率和產氫速率相近^[21-24]。

       另外，從圖 7 可知，所有耦合炭膜的反應過程比 FBR 均顯著提高了轉化率與收率。在炭膜的表皮分離層中，隨引入催化劑量提高，甲醇轉化率顯著增大；而氫氣收率變化幅度較小，即先略增后略降。表明炭膜發揮了打破 SRM 反應熱力學平衡限制的作用，促使反應正向進行[25,26]。然而，在消耗了較多的甲醇同時，并未全部用于轉化目的產物氫氣。原因在于，一是表皮層引入催化劑的炭膜，未能充分實現對反應體系中氫氣的識別和回收；二是由于反應器內部分未反應氣態甲醇被裹挾到產物流股中，從膜上游帶出，造成一定損失。另外，隨支撐體內催化劑量提高，甲醇的轉化率幾乎沒有影響，而氫氣收率則顯著增大。這是由于嵌入支撐體內的催化劑顆粒，同時起到如前所述的堵孔效應和造孔效應。造孔效應是由催化劑與炭膜基質間的相容性和熱膨脹差異等衍生的相界面孔隙，而堵孔效應則是由催化劑顆粒填充到炭基體內較大孔隙，提高了對 H₂ 的回收識別能力。總之，在炭膜基體孔隙內提供反應活性中心的催化劑表面進行化學反應時，會因限域效應和小尺寸效應而得到強化^[27,28]，從反應的動力學和熱力學雙角度同時達到強化反應選擇性和收率^[29]。

       圖 8 為反應溫度對反應效果的影響。由圖（a）可知，在較低反應溫度時耦合炭膜有利于轉化率，表明炭膜顯著突破了反應熱力學平衡限制。而當反應溫度較高時，固定床反應器具有更高轉化率，這是因為高溫促進了甲醇熱分解等副反應，消耗了部分甲醇；而耦合炭膜則一定程度上抑制了副反應發生^[26]。從圖（b） 可知，對于固定床反應器隨著反應溫度升高，氫氣收率下降，說明低溫利于發揮催化劑反應活性，而高溫 則更易引發副反應^[30]。耦合炭膜后，氫氣收率隨反應溫度升高，呈先增后降趨勢，且最佳反應溫度均處于 240℃。其中，支撐體中含催化劑的炭膜對氫氣收率具有最高值，達 49.1%。這也證實了前述結論，即反應 組分在炭膜內有限孔隙空間里的限域效應和小尺寸效應作用下，提高了催化活性位點的反應活性，實現強化反應效果^[31,32]。

       從熱力學角度上講，催化炭膜及時分離出反應體系里產物氫氣，有利于突破 SRM 反應平衡限制，使反應朝正向移動，從而提高甲醇轉化率與氫氣收率^[33]。除了分離性，本文所制備催化炭膜的催化性能也會對 SRM 有影響。因此，有必要進一步從動力學角度探討催化炭膜對 SRM 反應的影響。據報道，SRM 反應級數約為 0.6，所以反應速率rSRM方程可寫成^[34,35]：

       式中，K為反應速率常數，PCH3OH甲醇分壓，FCH3OH 0 進料中甲醇流率，W_M催化劑重量，XCH3OH甲醇轉 化率。根據反應溫度與轉化率等數據，可計算得 FBR 與催化炭膜下 SRM 反應活化能。結果如表 1 所示，分別為：46.4 kJ/mol（FBR）、30.6 kJ/mol（SCM-0-0）、24.8 kJ/mol（SCM-0-0.5）、9.3 kJ/mol（SCM-20-0）。 由此，證實了催化炭膜以限域效應、小尺寸效應等作用，從動力學方面顯著降低了 SRM 反應活化能，促進了反應進行。

3 結論

       本文將銅基催化劑引入炭膜進行功能化改性，實現了從熱力學和動力學雙角度強化甲醇水蒸氣重整制氫反應。催化劑的引入顯著影響了炭膜的微晶結構、孔隙結構及強化反應效果。向炭膜支撐體引入催化劑有利于突破反應熱力學限制、強化反應動力學，大幅提高氫氣收率；而向炭膜表面分離層引入催化劑，雖 然有利于提高甲醇轉化率，但對氫氣收率影響不大。當反應溫度 240℃時，在不額外消耗甲醇情況下，耦合炭膜使氫氣收率從固定床的 29.3%升至 49.1%。本工作所開發的催化與分離功能一體化炭膜材料不僅豐富了膜材料制備技術理論，也開拓了在新能源、催化、化工、材料等交叉領域的發展。

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