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氢气在Pt作催化剂时氧化的化学分析 摘 要：氢气作为一种新型能源，在现如今的社会生产生活中扮演着越来越重要的角色，未来的能源结构中，氢能必定占据着极其重要的低位。但实际中，氢气燃烧所需温度较高，因此实现低温条件下氢气的燃烧已经成为了许多研究者的研究方向，本文借鉴国内外核电站中的氢复合器的原理，从化学动力学与热力学角度来分析氢气在Pt作为催化剂时的燃烧（氧化）现象。 关键词：氢气；催化剂；化学动力学；化学热力学 Chemical analysis of the oxidation of Hydrogen in Pt Abstract: Hydrogen as a new type of energy, produced in todays society plays a more and more important role in our life, the future energy structure, the hydrogen must occupy the extremely important low. But in practice, the hydrogen needed for combustion temperature is higher, therefore, under the condition of low temperature hydrogen burning has become the research direction of many researchers, in this paper, the principle of hydrogen recombiner in nuclear power plant at home and abroad for reference, from the perspective of chemical kinetics and thermodynamics to analyze combustion of hydrogen in Pt as a catalyst (oxidation) phenomenon. Keywords: Hydrogen; Catalyst; Chemical kinetics; Chemical thermodynamics 氢气是无色并且密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1氢气的质量是0.0899，相同体积比空气轻得多）。另外，在101下，温度-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；259.1℃时，变成雪状固体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时（如点燃、加热、使用催化剂等），情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性（特别是被钯吸附）。金属钯对氢气的吸附作用最强。当空气中的体积分数为4%-75%时，遇到火源，可引起爆炸。 氢气是一种极易燃的气体占4%至7%的浓度时与空气混合，或占5%至95%的浓度时与氯气混合时是极易爆炸的气体，在热、日光或火花的刺激下易引爆氢气的着火点为500 ℃ 注：A 为指前因子；b 为温度因子；E a 为活化能；Θ为表面履盖率。 Deutschmann 等提出氢气在Pt表面上的催化反应机理(如表1 所示)，涉及5 种表面相组分(H (s) ，O (s) ，OH(s) ，H2 O (s) ，Pt (s)) 。表面催化反应机理经过了大量研究者的验证，与实验结果基本相符合。 3.氢气的空间催化燃烧与催化反应的关系 为了了解氢气的空相燃烧与催化反应之间的关系，国内有学者建立物理模型：直径为0.8mm长度为4.0mm 的微型管道燃烧器，入口部分直径为0.4mm、长度为0.2mm，在管道的内壁表面镀有Pt催化剂，结构如图 1 所示．氢气和空气以预混合方式通入微型管道内进行催化燃烧。 图1 物理模型示意 定义边界条件为气体混合物的入口温度固定为 300K ，氢气和空气的预混合气体在微型管道内的流动为层流。在微型管道出口处的压力指定为常数(0.1MPa) 。微型管道燃烧室的热损失包括向环境传热和热辐射两部分，热损失可以表示为 ： 式中：h是传热系数，h=20W/(m2·K )；Tw是壁面温度；ε是发射率，ε =0.5 ；σ是斯蒂芬- 玻尔兹曼常数。 计算中氢气的质量分数为 2.83 %，入口速度v 为2 m/s，图2显示了不同反应模型下管道内的温度和OH 质量分数。 图2 管道内温度与OH质量分数分布 根据OH 质量分数分布，能识别微型管道内是否发生燃烧反应，OH 自由基的集中分布区常可用于表示火焰位置，高OH 质量分数可以作为反应区域和高温区域的标志。从