基于PVDF/PZT/石墨烯电纺技术的多层压电纳米发电机在物联网远程监控应用中的压电性能提升

《Surfaces and Interfaces》：Enhanced piezoelectric performance of multilayered piezoelectric nanogenerator based on the PVDF/PZT/graphene Electrospun for IoT-based remote monitoring

氢能生产与碳封存：Ni-硅酸盐修饰LTA沸石膜反应器用于甲烷热解制氢及碳纳米管回收，实现98%高纯度氢气（76%回收率）和碳纳米管的协同生产，在450-600℃下甲烷转化率达58%，有效抑制金属烧结，为碳中和提供新路径。

　　氢作为一种清洁且绿色的能源来源，具有巨大的潜力来应对全球气候变化。通过使用甲烷分解反应产生的氢气作为燃料，可以实现零碳排放的目标。在这项研究中，我们开发了一种稳定的镍物种功能化膜反应器，用于催化分解甲烷（CDM）反应中生产超纯氢气。该膜反应器由在氧化铝中空纤维表面沉积的沸石层组成，并进一步功能化以在沸石表面形成镍磷硅酸盐。镍磷硅酸盐作为催化剂促进甲烷的分解，而沸石膜则作为分离层。通过水热合成法合成催化膜，随后采用尿素水解法进行处理。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）对膜的形态和催化剂沉积情况进行表征。测试结果显示，在450至600摄氏度的温度范围内，该催化膜在600摄氏度时实现了约58±1%的转化率。同时，在反应过程中，约76%的氢气（纯度约为98±0.5%）被回收，而产生的碳纳米管（CNT）也能够被收集。这种同时生产氢气和碳纳米管的反应过程，有助于实现净零排放并生产附加值高的化学品。

当前全球范围内的国家间战争导致了地缘政治的不平衡，从而在能源供应方面引发了争议。为了实现能源独立并应对气候变化，各国正依赖绿色和清洁的能源来源，如氢气，它具备实现零碳排放的潜力。目前，工业上主要通过蒸汽甲烷重整（SRM）反应生产氢气。该过程具有高度的吸热性，并会产生包括CO和CO?在内的副产物，除了氢气之外。然而，绿色和清洁的氢气生产已经成为当务之急。通过水电解（光电化学/热化学）和甲烷分解两种方式生产氢气，是实现净零碳排放的主要途径。其中，甲烷分解反应是一种在氢气生产过程中实现碳封存的最佳方法之一。在该反应中，甲烷被转化为氢气和固态碳沉积物。因此，催化分解甲烷（CDM）在未来的能源视角中对于从廉价且丰富的资源如天然气中生产氢气至关重要。

甲烷是天然气和沼气的主要成分，随着当前工业化的推进和人口的快速增长，这些温室气体的排放预计将持续增加。因此，将甲烷转化为无碳能源来源，对于环境保护和能源安全具有重要意义。甲烷分解反应本质上是吸热的，需要高温才能获得合理的氢气产量。然而，通过使用氢气渗透膜可以提高反应的产率。氢气可以通过膜进行原位分离，通常使用钯膜进行氢气分离。但钯膜在甲烷存在的情况下会因焦炭沉积而出现渗透损失。另一个因素是材料成本，这限制了钯膜在催化膜反应器中的应用。因此，目前关于使用膜反应器进行催化甲烷分解反应的研究仍较为有限。然而，支撑膜和超薄膜的发展解决了成本相关的问题。此外，在本研究中，我们选择了基于沸石的膜用于在高温下（600摄氏度）进行氢气纯化，因为该膜具有高氢气渗透性、低成本以及高耐碳氢化合物性能。这种膜可以通过水热处理方法轻松合成，并且成本效益高。同时，沸石对膜表面因碳氢化合物裂解而产生的中毒效应具有较强的抵抗力。在各种类型的沸石膜中，LTA型沸石膜因其低成本和出色的氢气渗透性而被认为是最适合的选择。该膜还具有良好的热稳定性，并且即使在高温下也能有效阻挡碳氢化合物。因此，在本研究中，我们选择了LTA型沸石膜用于氢气渗透，并在其表面功能化镍催化剂。该研究展示了通过将催化反应与分离过程结合在一个装置中，实现更高产率的集成工艺。

此外，值得注意的是金属支撑相互作用在甲烷分解反应中的重要性。通常，碳纳米管的形成和高温反应会导致金属的烧结现象。因此，通过形成金属硅酸盐或层状硅酸盐可以改善金属支撑相互作用。传统上，催化膜是通过浸涂法在膜表面涂覆催化剂层，并将催化剂填充在膜周围。然而，这些方法受到低催化活性和较差的金属支撑相互作用的限制。因此，在本研究中，我们通过形成层状硅酸盐结构，将金属纳米颗粒牢固地锚定在支撑表面上，这种结构不仅提高了金属支撑相互作用，还有效防止了金属纳米颗粒的烧结。多种过渡金属已被用于此类应用，但价格较低的镍因其对反应的高活性而被认为是最具潜力的材料。

本研究报告了一种集成的催化膜反应器的开发，用于甲烷分解反应，同时实现氢气和碳纳米管的生产。该膜反应器由LTA型沸石膜沉积在氧化铝中空纤维基底上构成。LTA型沸石膜具有良好的稳定性、成本效益以及对碳氢化合物中毒的低敏感性。此外，该膜在表面进一步功能化，形成了镍磷硅酸盐，这种结构作为催化剂促进甲烷的分解。在本研究中，我们通过两种方式对沸石膜的表面进行了改性：一种是通过形成镍硅酸盐对膜的顶部表面进行功能化，另一种是保持膜的底部表面为原始的沸石结构，用于氢气的渗透。这种层状硅酸盐结构不仅增强了金属与支撑物之间的相互作用，还有效防止了金属纳米颗粒的烧结。研究结果表明，该催化膜反应器在600摄氏度时表现出较高的催化活性，氢气的回收率达到约76%，且氢气纯度约为98%。同时，所产生的碳纳米管也能够被收集，这些碳纳米管可以用于多种应用。本研究的成果不仅有助于实现净零碳排放，还能够生产具有附加值的氢气和碳纳米管，为未来的能源技术提供了新的思路和方向。