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15
2026
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04
膜技术前沿丨天津工业大学王志刚教授团队《Adv. Membr.》论文：甘油重整制氢催化膜反应器
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生物柴油副产物粗甘油因杂质多、纯化难，长期面临资源化瓶颈。将其转化为高纯氢气是绿色能源循环的关键，但常受限于热力学平衡与催化剂积碳。针对这一工业痛点，天津工业大王志刚教授团队在Advanced Membranes发表了题为“Valorisation of biodiesel byproduct glycerol for hydrogen production via self-catalytic nickel membrane reactor”的研究。该研究创新地提出自催化-原位分离一体化策略，研制出具微通道结构的非对称镍中空纤维膜，利用氢气原位渗透产生的平衡移动效应，打破了热力学极限；同时通过氧气调节实现自热抗积碳运行。该工作不仅实现了高纯氢气的直接获取，更为生物质衍生多元醇的紧凑型高值化利用提供了全新的技术范式。
图文详解
1.自催化膜反应器系统的构建
如图1所示，本研究构建了以指状孔结构柔性镍中空纤维膜为核心的自催化反应系统。利用镍膜固有的催化活性与氢气高选择渗透性，实现了反应与分离的单元集成。操作过程中，原料气（甘油/水蒸气/氧气）在纤维内表面的活性位点发生催化转化，生成的氢气在跨膜压力与化学势驱动下，原位渗透至膜管外侧。
2.自催化膜反应器系统的重整制氢性能
研究系统考察了反应物配比对膜反应器性能的影响（图2）。提高水油比显著促进了重整及水煤气变换反应的正向移动，提升了甘油气化效率与氢气产率。在此基础上，引入氧气调节氧油比进一步优化了反应：适度氧含量不仅实现了系统自热运行，提升了能量效率，还通过原位活性氧物种显著抑制了镍膜积碳。实验证实，水、氧含量的协同调控对优化产氢性能及维持膜长效稳定性至关重要。
研究进一步探讨了动力学因素对系统性能的影响（图3）。提高吹扫气流速降低了渗透侧分压，从而增大跨膜传质驱动力，强化了原位分离对平衡的正向拉动作用。与此同时，进料空速调控了反应深度与处理能力的平衡：较低空速延长了催化接触时间，利于甘油彻底转化；高空速虽缩短了停留时间，但显著增强了系统整体产氢强度。实验表明，匹配吹扫气流速与空速，可有效优化反应器的时空产率与分离效率。
3.自催化膜反应器系统的稳定性
研究评估了不同重整模式下的稳定性与再生性能（图4）。蒸汽重整模式下，镍膜积碳导致性能随时间衰减，但经高温水蒸气原位再生，性能可恢复如初。相比之下，氧化蒸汽重整模式凭借活性氧物种对积碳前驱体的实时清除，实现了自维护稳定性，无需频繁再生即可长效运行。实验证实，该反应器兼具优异的运行稳健性与可靠的再生潜力。
4.总结与展望
本研究构建了一种自催化非对称镍中空纤维膜反应器，通过其独特的多孔催化-致密分离梯度结构，在单一单元内实现了甘油转化与氢气原位提取。氢气的实时移出有效打破了热力学平衡限制，显著提升了产氢效率。此外，氧气的引入实现了系统的自热反应，并有效抑制了镍膜表面积碳。实验证实，该反应器不仅运行稳健，且具备原位再生能力，失活后经蒸汽处理即可恢复如初。该策略为生物质多元醇的高值化利用提供了紧凑、工业化方案，也为自催化膜反应体系的耦合强化开辟了新路径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3xuOZ9FcuN9yfaxZWwqeiQ
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