[發(fā)明專利]一種耐高溫氧載體和制備及其應用

有效

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• 申請日: 2019-07-01
• 公開（公告）號: CN112174215B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設計）人: 王曉東;康雨;田鳴;呂飛;夏連根;李濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01G49/00
• 分類號: C01G49/00;B01J23/83;B82Y40/00;C01B3/40;C06D5/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種新型的耐高溫氧載體、制備方法及其應用，該氧載體主要成分為石榴石結構，化學計量比為Y₃Fe_xAl_5?xO₁₂，其中x的范圍為0x≤5，理論儲氧能力為0?10.15mmol/g。該氧載體具體采用溶膠凝膠法制備，然后再經(jīng)過高溫焙燒得到，并首次用于實際的甲烷化學鏈部分氧化制合成氣試驗中，表現(xiàn)出較高的活性及CO選擇性，通過20次循環(huán)測試性能基本穩(wěn)定。由于具有優(yōu)異的儲氧能力，本發(fā)明中的Y₃Fe_xAl_5?xO₁₂耐高溫氧載體還適用于催化分解凝膠DT?3推進劑，能夠實現(xiàn)發(fā)動機的穩(wěn)定點火。該高溫氧載體制備工藝相對簡單，材料成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)，性能優(yōu)異，具有較好的應用潛力。

技術領域

本發(fā)明涉及到新型的耐高溫氧載體、制備方法，以及其在甲烷化學鏈轉化領域及凝膠DT-3推進劑催化分解中的應用。

背景技術

新型耐高溫氧載體不僅在航空航天領域中極端條件下具有重要的應用背景，同時在甲烷高溫轉化利用方向也擁有較好的發(fā)展前景。

甲烷作為頁巖氣和天然氣的主要成分，是一種重要的化石能源和工業(yè)原料，近年來隨著頁巖氣革命和天然氣勘探技術的發(fā)展，甲烷將在今后能源消耗格局中占據(jù)更重要的地位，因此甲烷的轉化利用得到了研究者的廣泛關注。

在化工產(chǎn)業(yè)中，合成氣是一種重要的中間原料，可用于后續(xù)的甲醇合成，費托轉化等領域。目前工業(yè)上主要采用甲烷蒸汽重整制備合成氣，此過程是放熱反應，設備投資和能量消耗巨大，同時伴隨大量碳排放，面臨成本和環(huán)境的雙重壓力。甲烷部分氧化制合成氣由于過程放熱，反應不受熱力學限制等特點受到人們的關注，然而此工藝采用氧氣與甲烷混合進料，存在爆炸的安全隱患，原料氧來源于空氣分離設備，進一步增加了成本。為了解決這個問題，研究者提出了甲烷化學鏈循環(huán)制合成氣的新技術，在該工藝中，甲烷首先與含氧載體反應生成CO和H₂，接著被還原的氧載體與空氣反應恢復至初始狀態(tài)，從而實現(xiàn)一個循環(huán)，該技術避免了爆炸風險和空氣分離操作，減少了能量消耗與運行成本，是一種具有應用前景的新型工藝。

化學鏈循環(huán)制合成氣的關鍵在于開發(fā)高活性，高選擇性和穩(wěn)定性氧載體，鐵基氧載體由于低成本和高出氧量受到了最廣泛的關注，常見的Fe₂O₃對合成氣具有較低選擇性，將Fe₂O₃分散到合適載體上可以明顯提高選擇性，另一種途徑是將Fe分散到晶格之中形成復合氧化物(例如鈣鈦礦)，此方法能夠提高合成氣選擇性，而甲烷轉化率有待提高。因此開發(fā)具有高合成氣選擇性與甲烷轉化率的高溫穩(wěn)定氧載體是目前需要研究解決的問題。

石榴石結構化合物由于其較好的高溫穩(wěn)定性在航空航天領域熱障涂層中受到了廣泛關注，是一種優(yōu)異的耐熱材料。石榴石屬于立方晶系，結構由氧離子堆積而成，金屬離子占據(jù)氧的間隙，其化學式為Y₃Al₅O₁₂，通過Fe摻雜可以得到具有儲氧能力的氧載體，而目前石榴石氧載體在化學鏈循環(huán)制合成氣的應用中還未見報道，因此我們首次將這種耐高溫的石榴石氧載體應用于此反應中，甲烷轉化率和合成氣選擇性明顯提高，經(jīng)過多次測試性能基本保持穩(wěn)定，該工作證實了石榴石氧載體的應用可行性，具備較好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

推進劑是火箭發(fā)動機產(chǎn)生推力的能量來源，會直接影響到飛行器的飛行性能，對于火箭發(fā)動機是十分重要的。傳統(tǒng)上，推進劑可分為固體推進劑和液體推進劑。固體推進劑和液體推進劑各有優(yōu)缺點并不能完全滿足對于推進劑的安全性與高效性的要求。凝膠推進劑是將少量的膠凝劑加入到液體推進劑里面從而使液體推進劑凝膠化為新的結構凝膠推進劑是一種新型的火箭發(fā)動機推進劑，由于兼具固體推進劑和液體推進劑的優(yōu)點，從而在未來的航空航天領域有很好的發(fā)展及應用前景。本發(fā)明首次將具有石榴石結構，化學計量比為Y₃Fe_xAl_5-xO₁₂的新型高溫氧載體應用于凝膠DT-3推進劑催化分解，實現(xiàn)了發(fā)動機的穩(wěn)定點火。