氢化物研究论文提纲

论文题目：利用金属氢化物与CO₂制备氢气和低烃燃料的研究

摘要：天然气、石油、煤炭等化石燃料的大量消耗会使得大气中的CO2浓度迅速增加,这就会导致碳平衡在全球气候中持续而不可逆转地受到破坏。CO2作为一种廉价、无毒且储量丰富的可再生C1资源,将其转化为清洁燃料和有价值的化学原料为缓解CO2排放和减少对化石燃料的依赖提供了途径,对能源利用和环境保护具有重大意义。然而由于CO2具有很高的热力学稳定性,导致在高效利用CO2作为反应物方面极具挑战性。CO2的分子结构决定了它是弱的电子给体及强的电子受体,这导致其容易被还原。金属氢化物由于其较高的储氢能力且具有极强的还原性而被认为是理想的氢载体。本论文利用具有强还原性的金属氢化物设计了金属氢化物与CO2相互作用制备氢气和低烃类化合物的反应。本论文的研究内容主要分为以下五个部分:1.简单金属氢化物与CO2的脱氢反应性能及机理研究本章系统的地研究了碱金属氢化物MH（M=Li,Na,K）与CO2在室温条件下的反应。研究发现在室温静压条件下,未处理的碱金属氢化物不与CO2反应,而机械活化的碱金属氢化物与CO2反应并释放出大量的H2。碱金属氢化物与CO2的反应顺序为KH＞NaH＞LiH。活化的碱金属氢化物的粒径对碱金属氢化物与CO2的反应性具有很大的影响。在反应过程中,一部分CO2被碱金属氢化物还原,生成单质碳、碱金属氧化物和H2,一部分CO2被碱金属氧化物消耗,形成碳酸盐。MH（M=Li,Na）在室温机械球磨条件下可以更有效的还原CO2生成不含COx的氢气。氢气的摩尔百分数和产量分别达到了 98.72%和95.37%,这取决于球磨时间,转速和MH/CO2摩尔比。在机械球磨反应过程中,CO2被MH快速消耗完全,生成单质碳,碱金属碳酸盐和H2。这项工作为室温下制备无COx的氢气和消除氢气中的COx污染物建立了一种新的、简单而有效的方法。2.CO2气氛中复合金属氢化物的脱氢性能研究在前一章的基础上,进一步研究了碱金属铝氢化合物MAlH4（M=Li,Na）在CO2气氛中的脱氢性能。经研究发现,在室温静压条件或机械球磨条件下,未活化的碱金属铝氢化合物与CO2不反应,而机械活化48 h后的MAlH4能有效的与CO2反应并产生大量氢气。在室温静压条件下,MAlH4与CO2快速发生反应,即在1/6 h内就可以产生大量的氢气。碱金属铝氢化合物在机械球磨条件下与CO2反应后氢气的摩尔分数和产率分别为73.41%和64.34%。结果表明,反应后气体产物中氢气的摩尔分数和产率取决于MAlH4样品的粒度、反应时间以及机械球磨转速。3.简单金属氢化物还原CO2甲烷化性能及机理研究实现高选择性和有效地将CO2还原为甲烷,将极大地影响人类当前面临的两个关键问题的解决,即CO2过剩造成的环境问题和对清洁能源的日益增长的需求。本章报道了活化的简单金属氢化物（LiH,NaH,KH,MgH2,CaH2）将CO2热化学还原为甲烷的方法。相关实验的结果表明,在中等温度条件下,活化的简单金属氢化物可以高效且高选择性的还原CO2,仅产生了唯一的碳氢化合物甲烷。碱土金属氢化物与CO2体系的甲烷化性能优于碱金属氢化物与CO2体系的。4.复合金属氢化物还原CO2甲烷化性能及机理研究系统地研究了活化的碱金属铝氢化合物MAlH4（M=Li,Na）与CO2的热化学甲烷化反应。实验结果表明,利用机械球磨法活化的碱金属铝氢化合物能够快速且高选择性的将CO2转化为甲烷。反应进行1h后,产生了唯一的烃类化合物—甲烷,其产量达到了42.0%。气体产物中甲烷的摩尔分数和产量主要由温度、恒温时间、CO2的压力以及MAlH4/CO2的摩尔比例决定。在相同的反应条件下,NaAlH4-CO2体系的CH4产量高于LiAlH4-CO2体系的。在碱金属铝氢化合物与CO2的甲烷化反应过程中形成了单质铝、碱金属氢化物、无定形碳、碱金属偏铝酸盐和氢气,并且无定形碳与氢气进一步反应形成了甲烷。5.复合金属氢化物诱导CO2加氢制备低烃类化合物近年来,由CO2加氢直接生产低烃类化合物引起了极大的关注,因为它在减少CO2排放和发展绿色化学方面具有重要作用。本章报导了利用机械球磨法活化碱金属铝氢化合物MAlH4（M=Li,Na）,并将其应用于CO2加氢制备低烃类化合物的反应中。在200℃时,MAIH4诱导的CO2加氢反应后甲烷的选择性为100%。当温度高于200℃时,MAlH4诱导的CO2加氢反应后不仅产生了甲烷,还生成了乙烯和乙烷低烃类化合物,且随着温度的升高,CO2的转化率增大。进一步研究了合成的MAlH4/MgO材料诱导的CO2加氢反应,结果表明加入MgO进一步提高了 CO2和H2的反应性能,CO2的转化率为63.2%。这种碱金属铝氢化合物诱导CO2加氢将CO2转化为低烃类化合物的新方法,为CO2转化为高附加值化学品的促进剂的设计提供了借鉴。

关键词：金属氢化物;二氧化碳还原;氢气;甲烷化

学科专业：化学

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 金属氢化物

1.2.1 金属氢化物的概述及应用

1.2.2 碱金属氢化物的概述

1.2.3 碱土金属氢化物的概述

1.2.4 铝氢化合物的概述

1.3 金属氢化物与CO_2相互作用的研究现状

1.3.1 简单金属氢化物还原CO_2

1.3.2 复合金属氢化物还原CO_2

1.4 CO_2还原的途径及现状

1.4.1 电化学还原

1.4.2 光催化还原

1.4.3 CO_2还原的其他途径

1.5 CO_2甲烷化的概述及研究现状

1.5.1 CO_2甲烷化反应的概述

1.5.2 CO_2甲烷化反应的催化剂研究进展

1.5.3 甲烷化反应的反应机制

1.6 本论文的研究意义、创新点和研究内容

第2章 简单金属氢化物与CO_2的脱氢反应性能及机理研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要试剂和测试仪器

2.2.2 碱金属氢化物与CO_2的脱氢反应的操作步骤

2.2.3 结构表征

2.2.4 碱金属氢化物与CO_2的脱氢反应后气体物质的测定

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同粒度的MH对MH与CO_2在静压室温下脱氢反应的影响

2.3.2 碱金属氢化物与CO_2在静压室温下的脱氢反应机理

2.3.3 不同转速对MH-CO_2体系机械球磨反应的影响

2.3.4 不同反应时间对MH-CO_2体系机械球磨反应的影响

2.3.5 不同MH/CO_2摩尔比例对MH-CO_2体系机械球磨反应的影响

2.3.6 碱金属氢化物与CO_2在室温机械球磨条件下的脱氢反应机理

2.4 本章小结

第3章 CO_2气氛中复合金属氢化物的脱氢性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要试剂和测试仪器

3.2.2 碱金属铝氢化合物与CO_2的脱氢反应的操作步骤

3.2.3 结构表征

3.2.4 碱金属铝氢化合物与CO_2的脱氢反应后气体物质的测定

3.3 结果与讨论

3.3.1 不同粒度的MAlH_4对MAlH_4-CO_2体系在室温下的脱氢反应的影响

3.3.2 不同恒温时间对MAlH_4-CO_2体系在室温下的脱氢反应的影响

3.3.3 不同转速对MAlH_4-CO_2体系机械球磨脱氢反应的影响

3.3.4 不同反应时间对MAlH_4-CO_2体系机械球磨脱氢反应的影响

3.3.5 不同粒度的MAlH_4对MAlH_4-CO_2体系机械球磨脱氢反应的影响

3.3.6 MAlH_4-CO_2体系的脱氢反应机理的探究

3.4 本章小结

第4章 简单金属氢化物还原CO_2甲烷化性能及机理研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 主要试剂和测试仪器

4.2.2 简单金属氢化物与CO_2甲烷化反应的操作步骤

4.2.3 结构表征

4.2.4 简单金属氢化物与CO_2甲烷化反应后气体物质的测定

4.3 结果与讨论

4.3.1 不同粒度的MH对MH-CO_2体系甲烷化反应的影响

4.3.2 不同MH/CO_2摩尔比例对MH-CO_2体系甲烷化反应的影响

4.3.3 不同粒度的MH2对MH_2-CO_2体系甲烷化反应的影响

4.3.4 不同MH_2/CO_2摩尔比例对MH_2-CO_2体系甲烷化反应的影响

4.3.5 甲烷的形成及通过金属氢化物转化为氧化物的过程的探讨

4.3.6 金属氢化物-CO_2体系和H_2-CO_2体系甲烷化反应对比

4.3.7 金属氢化物-CO_2体系的生产成本和能源效率分析

4.4 本章小结

第5章 复合金属氢化物还原CO_2甲烷化性能及机理研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 主要试剂和测试仪器

5.2.2 碱金属铝氢化合物与CO_2甲烷化反应的操作步骤

5.2.3 结构表征

5.2.4 碱金属铝氢化合物与CO_2甲烷化反应后气体物质的测定

5.3 结果与讨论

5.3.1 不同反应温度对MAlH_4-CO_2体系甲烷化反应的影响

5.3.2 不同反应时间对MAlH_4-CO_2体系甲烷化反应的影响

5.3.3 不同CO_2压力对MAlH_4-CO_2体系甲烷化反应的影响

5.3.4 不同MAlH_4/CO_2摩尔比对MAlH_4-CO_2体系甲烷化反应的影响

5.3.5 MAlH_4-CO_2体系甲烷化反应机理探究

5.3.6 甲烷化反应动力学研究

5.4 本章小结

第6章 复合金属氢化物诱导CO_2加氢制备低烃类化合物

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 主要试剂和测试仪器

6.2.2 铝氢化合物诱导CO_2加氢的操作步骤

6.2.3 材料表征

6.2.4 CO_2加氢反应后气体物质的测定

6.3 结果与讨论

6.3.1 铝氢化合物(LiAlH_4,NaAlH_4)与MgO的复合物的表征

6.3.2 反应温度对铝氢化合物诱导CO_2加氢反应的影响

6.3.3 掺杂MgO对铝氢化合物用于诱导CO_2加氢反应的影响

6.3.4 稳定性测试

6.3.5 铝氢化合物诱导CO_2加氢反应机理的探究

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢