[发明专利]等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备及实验方法

说明书

等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备，包括氨气瓶、质量流量计、热电偶、催化剂、等离子体电源设备、示波器、石英管反应器、在线气相色谱仪，所述氨气瓶排气口和质量流量计的进气口连接，质量流量计的排气口和石英管反应器的进气口连接；石英管反应器的进气口侧绝缘安装有接线桩，接线桩的外侧端及反应器的低压电极、示波器的检测端口和等离子体电源设备的电源输出端分别电连接；等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备的实验方法，包括五个步骤。本发明便于搭建，能实现氨气到氢气的转化，无需外部加热，大幅降低了传统热催化能耗，降低了成本，能提高制氢能效，无CO_x污染，延伸到实际生产，适合在极端条件下制氢反应或军工行业使用。

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，特别是一种等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备及实验方法。

背景技术

随着工业发展程度不断提升，人类对能源需求急剧增加，常规的化石燃料(石油、煤炭等)燃烧产生过量的二氧化碳导致全球气温上升、冰川融化、海平面上升，由此引起的全球气候剧变、作物减产、空气污染等严重的环境问题。并且上述能源不可再生，面临枯竭的危险。应对当下二氧化碳排放的空前压力，全球逐渐投向了“碳中和”式的发展，大力发展清洁可再生能源。其中氢能制取便利、高效环保，是一种理想的二次能源，能有效助力减碳和优化能源结构，是全球新能源转型的重大战略方向，势必迎来氢能开发和利用的快速发展。

应用氨气分解制备氢气，由于技术相对成熟，目前应用较多。氨气制备氢气中，需要采用热催化法对氨进行催化分解，进而得到氢气。通过热催化法使用一些廉价金属催化剂催化氨气分解制氢具有成本低的优点，但是由于所需反应温度较高达到＞600℃，能耗较高，且会产生COx等危害产物，因此，不利于实际应用。在教学、实验室，特别是工厂验证氨气制备氢气领域，为了减少先期投资，会搭建实验设备对氨气制备氢气进行验证。由于现有的验证系统，一般都是基于单一的热催化法通过催化剂高温催化氨气制备氢气，所以验证存在局限性，提供一种能有效克服热催化法催化氨气制备氢气验证的(实验)系统存在缺点的设备及实验方法显得尤为必要。

发明内容

为了克服现有技术中，采用的等离子体-催化剂制备氢气验证(实验)系统，由于技术所限，存在如背景所述弊端，本发明提供了一种实验装置简单且便于搭建，在相关设备及流程作用下，常温常压下即可运行，在该协同体系(等离子体-催化)下，较小单金属Ru负载量(0.3％)的催化剂仍有很高的活性，有效降低成本，能提高制氢能效，实验条件相对温和，实验分解产物为氢气和氮气，无COx等污染气体产生，具有可持续性与环境友好性，延伸到实际生产，适合在极端条件下的制氢反应或军工行业使用的等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备及实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备，包括氨气瓶、质量流量计、热电偶、催化剂、等离子体电源设备、示波器、石英管反应器、在线气相色谱仪，其特征在于，所述氨气瓶排气口和质量流量计的进气口连接，质量流量计的排气口和石英管反应器的进气口连接；所述石英管反应器的进气口侧绝缘安装有接线桩，接线桩的外侧端及反应器的低压电极、示波器的检测端口和等离子体电源设备的电源输出端分别电性连接；等离子体协同金属氧化物催化氨分解制氢设备的实验方法，包括如下步骤，步骤A：制备催化剂；步骤B:将催化剂装调至石英管反应器内，在石英管反应器内安装高压电极，催化剂两边采用石英棉进行填充以防止催化剂被反应气体吹走，并关闭反应器的加料口；步骤C：使用铝箔纸作为低压电极包覆在石英管催化剂填充区外壁，用石棉布对反应区进行包裹以到达保温的作用，将电源高低压线与反应装置上高低压线对应连接；步骤D：往石英管反应器内通入氨气、流量范围为20～400ml/min，反应时间＞60mins，调节等离子体电源设备的电源电压，再调节电源电流至放电成功，通过示波器对放电的强弱状态进行观察，收集放电数据；步骤E：放电成功后会先反应一段时间将催化剂上的RuO2还原成真正的活性物种Ru颗粒，然后等待反应稳定，氨气在催化剂及等离子体电源作用下，常温条件下分解成氢气和氮气，分解后的氢气和氮气进入气相色谱仪进行定性定量分析，热偶对反应区的温度进行检测。