[發明專利]一種利用太陽光和光熱催化劑直接轉化二氧化碳制備有機燃料的技術

有效

• 申請號: 201410246792.0
• 申請日: 2014-06-05
• 公開（公告）號: CN104016825B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 歐陽述昕;孟憲光;葉金花;加古哲也;王濤;劉樂全;李鵬;胡慧林;許華;王德法
• 申請（專利權）人: 天津大學;獨立行政法人物質·材料研究機構
• 主分類號: C07C9/04
• 分類號: C07C9/04;C07C9/06;C07C11/04;C07C1/02;C07C1/04;C07C31/04;C07C31/08;C07C29/158;C07C47/04;C07C45/27;C07C49/08;C07C45/54;C10G2/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 宋潔瑾

技術領域

本發明涉及太陽能及其應用，特別涉及一種光熱催化劑利用太陽能轉化二氧化碳制備有機燃料的技術。

背景技術

20世紀以來，工業化大生產的騰飛帶動了經濟的高速發展及人類生活水平的迅速提高，然而也導致了石油、煤等傳統能源快速消耗并向大氣釋放二氧化碳。進入21世紀，溫室氣體二氧化碳的過渡排放導致大氣生態系統失衡已成為各國政府普遍關注的議題，通過化學途徑將二氧化碳重新轉化為有機燃料，既能降低大氣中二氧化碳濃度又能生成能源同時解決人類社會所面臨的環境及能源問題，因而這方面相關的研究與技術開發備受關注。

太陽能光熱技術是一項可再生能源技術，最為常見的應用是太陽能熱水器——利用太陽能將水加熱用于生產生活，我國的太陽能熱水系統總裝機容量居世界前列，在2006年達到60GW(10⁹瓦)，計劃2020年達到210GW；另外一種應用是太陽能光熱發電，利用聚光系統將大面積的太陽光能會聚，將集中獲得的熱能取代利用傳統能源煤燃燒提供的熱能來發電，我國太陽能光熱發電也位居世界前列。可見，光熱技術在我國具有極廣闊的應用前景，發展潛力巨大。

熱催化在石油工業中占據主導地位，其對工業生產意義重大。然而，傳統熱催化主要依靠電能供熱，能耗巨大。光催化技術的發展主要在實驗室研究階段，效率較低。利用太陽能采用光熱技術實現催化反應是一種新技術，相關研究及技術開發仍處在初步階段。光熱催化劑是利用光熱技術誘導發生催化反應的核心，其有別于熱催化劑和光催化劑之處在于既可利用太陽光中的紫外及可見光波段實現光激發，也能利用紅外波段實現熱激發，因而依靠熱激發輔以光激發的電子及空穴誘導表面吸附的反應物發生氧化還原反應。光熱催化技術具有實現低能耗及高效率突破的極大可能性。

二氧化碳甲烷化是一類重要的催化反應，由法國化學家Paul?Sabatier首先提出，上世紀60年代起應用于航天領域，將宇航員呼吸產生的二氧化碳通過氫氣還原成甲烷和水，然后再將水電解產生氧氣重新供給宇航員呼吸，甲烷被作為廢氣排出或回收做它用。而今，大氣環境中二氧化碳濃度升高，如將二氧化碳富集回收再通過甲烷化反應制備有機燃料，意義重大。然而，如果依靠傳統熱催化反應實現這一過程，由于需要額外耗費電能，必將極大限制二氧化碳甲烷化的應用。利用氫氣還原二氧化碳制備甲烷這一反應的適合反應溫度為180到520攝氏度，通過光熱技術會聚太陽光容易達到該溫度范圍。此外，熱催化及光催化的研究也報道通過選擇性氧化、碳鏈增長或分子內脫水等反應能實現短鏈烷烴(如甲烷)向長鏈烷烴、烯烴、醇、醛、酮類有機物轉變。所以，利用太陽能這一廉價可再生能源并結合光熱催化劑，能夠實現直接轉化二氧化碳制備甲烷及其它有機燃料，商業化前景廣闊。

發明內容

本發明提供一種利用會聚太陽光及光熱催化劑實現高效光熱催化轉化二氧化碳制備有機燃料的方法，同時利用太陽能供光、供熱協助光熱催化劑的合成，解決現有技術中熱催化過程的能耗大、生產成本高及光催化過程的效率低等問題。

本發明的技術方案是：

利用太陽光為光熱催化劑制備及催化過程供光、供熱，光熱催化劑可同時吸收利用太陽光中紫外光、可見光及紅外部分(見圖1)，從而誘發光熱催化反應利用氫氣還原二氧化碳制備有機燃料。

所述光熱催化劑的活性組分為過渡族第VIII族元素的非化學計量比氧化物，尺寸為2-30納米，負載在載體材料上，具有比表面積為30-1000平方米/克。所述過渡族第VIII族元素的非化學計量比氧化物，其通式為MO_x、NO_y或T₂O_w，其中M＝Fe、Co、Ni、Pd，N＝Ru、Ir、Pt，T＝Rh，x＝0-1，y＝0-2，w＝0-3。

所述光熱催化劑的載體材料可分兩類，一類是指普通載體材料，另一類是具有光催化活性的載體材料。所述普通載體材料為活化Al₂O₃(堿性)、MgO(堿性)、CaO(堿性)、ZrO₂(堿性)、La₂O₃(堿性)、納米SiO₂(可堿性修飾)、硅藻土(天然礦物，可堿性修飾)、海泡石(天然礦物，可堿性修飾)、層狀雙金屬氫氧化物(高堿性)、活性碳(高導熱)、碳納米管(高導熱)或石墨烯(高導熱)。所述具有光催化活性的載體材料為納米TiO₂、納米ZnO、納米WO₃、納米CeO₂或納米SrTiO₃。