氢的制备和利用

理论上来说，制氢方法有很多种。比较传统的有：矿物燃料制氢，电解水制氢。今年来更是出现了一些新兴的制氢途径像太阳能光解水制氢和生物制氢等制氢新技术，并得到了迅速发展。（1）矿物燃料法。由于化石燃料的广泛使用，该制氢法也是目前采用最多的方法。涉及到的矿物燃料有煤，石油和天然气。a.煤的气化。工艺流程大致如下图：煤气化法制氢工艺复杂,能耗相对较高,制得的氢含量低,所含杂质的种类较多,需要有效的分离提纯技术与之配合才能得到高纯氢。如美国Texaco公司采用烟煤为原料产出的合成气为例:H234%,CO48%,CO217%,(N2+Ar)1%。b.石油和天然气制氢法。（i）烃类蒸汽转化该法以天然气和石油中的所有轻烃为原料，产物主要有H2，CO和CO2。涉及的方程式有：CH4+2H2O→CO2+4H2CnH2n+2+nH2O→nCO+(2n+1)H2该法在脱除CO和CO2的时候很麻烦，虽然脱离的方法在不断进步，但处理CO2仍是一大困扰，如果直接排入大气,势必造成环境污染。（2）水分解法制氢。由于该法原料丰富，人们一直不懈地完善。目前工业化了的有电解水法。a.在工业中，电解水在碱性溶液中进行。涉及的反应是：阳极:2OH--2e=(1/2)O2+H2O阴极:2H2O+2e=H2+2OH-总的电极反应:H2O=H2+(1/2)O2此法中水的电解效率η≈60%~80%，电能消耗约为4~5Kw.h/m3H2，效率不高和电能消耗大限制了这种方法的大规模使用。（3）光分解法。这是制氢的前沿领域，其主要途径有光催化法，光电解法。光分解的原理是光量子可以使水和其他含氢化合物分子中氢键断裂。利用TiO2半导体电极所组成的电化学电解槽，它通过光解水的方法把光能转化成氢和氧的化学能。这种制氢方法具有巨大的优势：地球上的水资源丰富，太阳能取之不尽。只要这种方法逐渐成熟并投入工业生产，人类的能源短缺问题将迎刃而解。但目前该法的光电转化效率仍处在20%~30%的较低水平。（4）生物制氢。与传统制氢工艺相比，生物制氢具有节能、清洁、原料来源丰富且价格低廉和不消耗矿物资源等优点。生物制氢主要分为发酵制氢和光合作用制氢。（i）发酵细菌制氢：利用在代谢过程中能产生H2的微生物—发酵细菌制取氢气。（ii）光合细菌和藻类制氢：在光照条件下，这类生物产生ATP和高能电子，高能电子，产生还原型铁氧还原蛋白(Fdred)固氮酶利用ATP和Fdred进行氢原子还原,生成氢气。氢是清洁能源，氢气的燃烧不会产生CO2和NOX等大气污染物。氢可以实现高浓度的存储，利用新型合金，可在极小的体积中储存大量氢气，这使氢成为一种极好的能源载体。另外，氢是可再生资源。其燃烧产物水又可以作为制氢的原料，如此可以实现循环利用。因为具有以上诸多优点，氢具有广泛的应用前景。（1）燃料电池。燃料电池可将氢能转化为电能，它的种类很多，可以按照其电解质分为碱性、质子交换膜、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池。下图是质子交换膜燃料电池原理。涉及的反应有：阳极：H2→2H+2e阴极；4H++4e+O2→2H2O总反应：2H2+O2→2H2O燃料电池的效率极高，一般在90%以上（内燃机一般不超过50%），且运行无噪音，磨损小，很适合成为内燃机的下一代替代品。（2）氢能发电。氢气可作为燃料使用汽轮机发电，也可选择更适宜的固体氧化物燃料电池。固体氧化物燃料电池（SOFC）由两块多孔陶瓷电极中间夹着一层致密的离子传导氧化物陶瓷电解质构成。原理如下图涉及的反应有：阴极：O2+4e→2O2-阳极：2O2-+2H2→2H2O+4e总反应：2H2+O2→2H2OSOFC具有效率高，全固态结构和无需贵金属催化剂等突出的优点。