用于对甲酸制氢催化剂催化性能进行测试评估的系统及方法与流程

本发明涉及甲酸制氢，具体涉及一种用于对甲酸制氢催化剂催化性能进行测试评估的系统及方法。

背景技术：

1、能源是人类社会经济发展的基础和动力，氢气是已知单位质量含能最高的燃料，氢气燃烧后的产物是水，是可替代化石燃料的理想能源之一；除作为燃料以外，还能作为化学工业中重要原料被广泛应用于多种加氢工业过程、新能源汽车、冶金等领域。

2、氢的广泛应用首先要解决的是如何大规模制备氢气的问题。甲酸(hcooh)是一元有机羧酸，也是一种有效的有机氢载体，经分解和重整后可获得大量氢气，其来源广泛，成本低，除了可以通过传统化石能源获得，还可以通过太阳能、风能、生物质等可再生能源获得。甲酸在常温常压下为液体，储存条件也是常温常压，其作为液体储存和运输的安全性和便捷性方面具有得天独厚的优势；甲酸(hcooh，fa)储氢密度高可达53kg/m3，虽然其储氢密度不及其他含氢有机液体，但是它是唯一一种可在常温常压下即可实现氢气制取的氢载体，明显优于液化(多级压缩且冷却能耗巨大)、高压(安全性无法保证)和其他储氢技术(高温重整)。在常温常压下，需在催化剂的作用下，甲酸分解生成二氧化碳和氢气，可实现氢气的即需即制、即制即用；因此，甲酸制氢的关键在于催化剂。

3、根据化学反应方程式(hcooh→co2↑+h2↑)可知，一摩尔的甲酸可分解为一摩尔的二氧化碳和一摩尔的氢气，再按公式：pv＝nrt，tof＝nh2/npd，可推出在一定环境下，催化剂的催化性能与单位时间内产生气体的体积有关，因此准确地统计出反应所生成气体体积与时间的v-t关系对催化剂活性的评价显得尤为重要；由于甲酸分解的速度与反应物浓度有关，随着甲酸不断分解，反应体系中反应物的浓度在降低，反应速度也会随之变慢，所以在计算转化频率(tof)时，常取甲酸完全分解所产生混合气体或者氢气体积的15％-25％来计算。现有报道中最常用收集气体的方法是直接利用排水法进行对甲酸分解所产混合气体或者先通过氢氧化钠溶液纯化后再用排水法收集氢气的体积来计算tof；而排水法收集气体体积存在的主要问题是通过实验人员的肉眼观察来记录单位时间内所产生气体体积，记录结果极易受个人读数习惯、加料方式以及装置中连接管线长度和气密性(影响响应时间)等因素的影响，导致测量结果误差大；虽有文献“钌基催化剂催化氨硼烷水解制氢性能研究”(李年谱.桂林电子科技大学，硕士论文，2019-05-28)报道使用电子天平对气体所排出水的重量进行实时称量的方法来避免使用人工读数，但该方法却存在响应时间长、精度差的缺点；若遇到tof高于5000h-1的催化剂，因产生的气体速度极快，读数上较小的差错或出现响应延迟都会导致tof出现较大的偏差(误差超过±20％)，并且使用排水法测试评估全过程都需要测试人员盯住液面来读数和记录数据，工作效率极低。另外，为了研究气体成分，往往需要先利用取样器或者采样袋进行取样，再将气体样品注入气相色谱仪，其操作流程较复杂。

4、cn116735791a公开了一种甲酸储氢的测试装置与方法，但该测试装置与方法不适用于实验室条件下要求催化剂用量少、产气体积较小、实验场地空间有限、装置需移动等环境。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于对甲酸制氢催化剂催化性能进行测试评估的系统及方法，采用微小气体质量流量传感器在线实时记录气体体积的方式替代了用排水法收集气体和人工实时记录数据的低效方法，并连接了气相色谱仪，可实现在线实时记录气体体积数据和在线定性、定量分析气体成分的功能，能显著提高催化剂催化性能测试评估的准确度和工作效率。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种用于对甲酸制氢催化剂催化性能进行测试评估的系统，包括气体生成组件10、气体体积数据采集和分析组件20、气体成分分析组件30，各组件之间用气体管路连接。

4、所述气体生成组件10包括可控温磁力搅拌装置101、反应容器102、气体管路103和气路开关104。所述可控温磁力搅拌装置101用于提供搅拌动力和通过加热保温介质给反应容器102提供热源，，且可以是集热式恒温加热磁力搅拌器或恒温磁力搅拌器与可盛装保温介质容器的组合，自带有温度传感器且具有可调控、测量、显示保温介质温度的功能，加热温度和磁力搅拌转速分别不低于100℃、1000rpm；所述保温介质可以是水或硅油或轻质矿物油等。所述反应容器102用于给甲酸分解制氢反应产生气体提供封闭空间，可以是具支反应管、单/双口圆底烧瓶、锥形瓶等。所述气体管路103用于各组件之间的连接，可以是硅胶管、pvc管、pu气管、不锈钢气管等。气路开关104用于气体管路的断开，可以是手动球阀、玻璃活塞二通、四氟活塞二通等。

5、所述气体体积数据采集和分析组件20包括压力传感器201、温度传感器202、气体质量流量传感器203、数据采集盒204、已预装软件的电脑终端205及其相关的线路，所述压力传感器201用于测定流经气体质量流量传感器气体的压力；所述温度传感器202用于测定流经气体质量流量传感器气体的温度；所述压力传感器201和温度传感器202可以分别具有收集压力、温度的传感器，也可是同时具有收集压力和温度数据功能的传感器，可以是温度压力一体传感器；气体质量流量传感器203用于将特定单一气体或固定比例混合气体的质量流量数据转化成电信号，即可通过通讯接口主动上传数据或有上机位查询输出数据，也可通过模拟接口输出线性的模拟电压，能适用于空气、氢气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳等单一气体或混合气体的流量监测，其最大流量可为100、200、500ml·min-1，可收集瞬时流量、累计总量，响应时间和瞬时流量分辨率均可设置，可以是mf4001、mf4701或定制款等。数据通讯模块204、已预装软件的电脑终端205用于数据传输至电脑终端进行显示以及数据处理分析，必须与传感器能相互兼容匹配，已预装的软件可调整气体体积数据采集的时间间隔，且能兼容多款传感器。

6、所述气体成分分析组件30包括三通阀301和气相色谱仪302，所述气相色谱仪302用于分析检测气体中各成分的含量，可分别或同时拥有热导池检测器(tcd)和氢火焰检测器(fid)，能用于定性定量分析检测气体中氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲酸等，一个气体成分分析组件可同时与多个气体生成组件和气体体积数据采集和分析组件相连。

7、一种使用上述的系统对甲酸制氢催化剂催化性能进行测试评估的方法，包括：

8、(1)向处于保温、搅拌状态下的装有一定量催化剂、溶剂的反应容器中注入反应物，甲酸快速分解产生混合气体；

9、(2)甲酸分解生成的混合气体沿管路通过压力传感器201、温度传感器202、气体质量流量传感器203后，传感器将所收集的气体压力、气体温度、气体瞬时流量和累计总量传输至电脑终端205，按公式计算得到tof值，其中：tof是转化频率(单位h-1)，p为当地的大气压(单位pa)，v是产生气体的体积(单位m3)，r是气体常数(8.314m3·pa·mol-1·k-1)，t是环境温度(单位k)，npd是催化剂中钯的摩尔量(单位mol)，t是反应时间(单位h)；

10、(3)气体通过管路进入气相色谱仪302，经检测得出气体成分信息，多余气体通过三通阀排除。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

12、1.本发明利用气体质量流量传感器具备了在线实时记录气体体积的功能，既能极大减少测试人员的参与度及其工作强度，同时还能避免因响应时间长、人工读数差错而导致的误差，能有效提高测试评估结果的准确度和工作效率；

13、2.本发明利用直连气相色谱仪，具备在线定性、定量分析气体成分功能，解决了利用取样器取样操作流程较为复杂的问题，能及时掌握气体成分信息，对催化剂失活机理研究、催化剂的后续改进、推广应用有重要作用；

14、3.本发明可以通过更换气体质量流量传感器或者改变传感器的设置，使其能够用于不同种类单一气体或者不同比例混合气体的流量监测，另外，该系统结构简单、易拆卸和移动，从而使本系统可适用于不同类型的析氢反应和场景，能扩大其应用领域。