[發明專利]一種用于熱化學循環分解CO2和/或H2O的催化劑及制法和應用

在審

• 申請號: 201811145288.6
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN109317130A
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 趙寧;施衡;肖福魁;王峰;蒲彥鋒;楊金海;王太英
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: B01J23/10
• 分類號: B01J23/10;C01B3/06;C01B13/02;C01B32/40
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 劉寶賢

一種用于熱化學循環分解CO₂和/或H₂O的催化劑是金屬Zr對CeO₂摻雜形成的鈰鋯固溶體復合金屬氧化物，其化學組成通式為：Ce_1?xZr_xO_2-，其中x=0.01?0.99，x為摻雜金屬Zr的摩爾分數。本發明具有活性高，穩定性好，制備過程溫和優點。

技術領域

本發明屬于一種催化劑及制備方法和應用。具體地說涉及一種用于熱化學循環分解CO₂和/或H₂O的催化劑及制備方法和應用。

技術背景

人類活動消耗的化石能源造成了二氧化碳等溫室氣體大量排放，其產生的溫室效應引起了越來越多的人的關注。我國溫室氣體年排放量已位居世界前列，二氧化碳的減排顯得至關重要。二氧化碳也是一種廉價的碳、氧資源，對其進行化學利用有著很好的應用前景。利用太陽能等可再生能源將CO₂和/或H₂O轉化成易于儲存的液體燃料，不僅能解決二氧化碳對環境的影響，也能夠部分緩解對化石能源的依賴。

兩步熱化學法循環分解CO₂/H₂O耦合了太陽能利用和液體燃料制備，成為了當前研究熱點之一。該循環反應分為兩步進行：首先在較高溫度下(1200-1600℃)進行高價金屬氧化物的熱還原反應，釋放出O₂；然后用還原態的氧化物在較低溫度下(800-1100℃)進行CO₂/H₂O分解反應，生成CO/H₂和高價金屬氧化物，高價氧化物再進行第一步反應實現反應循環。反應的方程式如下：

MO_x→MO_x-y+y/2O₂(熱還原反應)

MO_x-y+y CO₂/H₂O→MO_x+yCO/H₂(CO₂和/或H₂分解反應)

目前，該循環反應的催化劑體系主要有Fe₃O₄/FeO、CeO₂/Ce₂O₃以及ZnO/Zn等。這些催化劑體系尚存在著一定的不足之處，如：ZnO/Zn雖然具有較高的太陽能到化學能的轉化效率，但ZnO催化劑在高溫釋放O₂后成為Zn蒸汽，需要對Zn蒸汽進行驟冷，這樣會導致反應過程更加復雜；Fe₃O₄/FeO分解反應溫度太高，高溫反應過程中會導致FeO蒸發從而被產生的氧氣再次氧化，降低轉化效率。因此，研究新型的高反應活性的CO₂/H₂O分解催化劑具有一定的必要性和現實意義。

CeO₂是一種可用于熱化學反應的金屬氧化物，循環體系不揮發，在較長的循環反應里能夠保持一定的穩定性。但是CeO₂的熱還原溫度較高，帶來了反應過程中易燒結失活的問題。有研究者發現，Zr、Ni、Fe、Mn等金屬對CeO₂進行修飾可以打亂固溶體內的原子排列，進而產生氧空穴，提高材料內氧離子的流動性，同時降低熱還原溫度(Energy,2007,32(5):656-663)。此外，金屬Zr的修飾還可以提高CeO₂的熱穩定性，從而在一定程度上克服CeO₂熱還原溫度較高以及由此帶來的材料燒結失活問題(The Journal of PhysicalChemistry C,2012,116(25):13516-13523)。