[發(fā)明專利]一種光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫復(fù)合催化劑的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011405858.8
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112439420A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鮑創(chuàng);劉向雷
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B01J23/83
• 分類號: B01J23/83;B01J35/10;B01J37/03;B01J37/08;B01J37/02;C01B3/32
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 劉莎

本發(fā)明公開了一種光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫復(fù)合催化劑的制備方法，該復(fù)合催化劑可在光熱反應(yīng)器中同時(shí)吸收爐膛加熱產(chǎn)生的熱輻射與外部氙燈輻照的紫外?可見光，一方面利用熱輻射來達(dá)到熱催化所需的溫度，吸附所需的甲醇與水，另一方面利用高能光子激發(fā)光生電子空穴對分離，加速反應(yīng)物的氧化還原，生成更多的中間產(chǎn)物，在熱輻射與光吸收的共同作用下催化甲醇與水進(jìn)行重整反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫。此外，制備的光熱協(xié)同催化劑具有多孔結(jié)構(gòu)，能夠緩解長期反應(yīng)中高溫?zé)Y(jié)的問題，從而提高重整制氫過程的穩(wěn)定性。光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫實(shí)現(xiàn)了協(xié)同利用熱輻射與太陽光，其性能優(yōu)于單純熱輻射下的制氫反應(yīng)，且能夠滿足長期高效的運(yùn)行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫復(fù)合催化劑的制備方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自上世紀(jì)以來，化石燃料的過度消耗已導(dǎo)致大量溫室氣體進(jìn)入大氣，而這也進(jìn)一步導(dǎo)致了全球變暖以及全球能源危機(jī)。實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展需要平衡能源利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，所以亟需探索一條既可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展同時(shí)也能有效地保護(hù)環(huán)境的綠色發(fā)展途徑。太陽能總量巨大,分布廣泛,無需運(yùn)輸且用之不竭,是最重要的可再生清潔能源。但太陽能的能量密度低,其分布隨時(shí)間與地點(diǎn)變化大,大規(guī)模應(yīng)用太陽能必須進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。此外，相比傳統(tǒng)化石燃料，氫氣是一種理想的高能量零污染的能源載體，如何高效清潔地生產(chǎn)出氫氣將是未來能源研究的重中之重。光催化制氫是一種清潔低廉的制氫方式，在太陽光子的作用下，催化劑價(jià)帶上的部分電子得到躍遷，跨過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，實(shí)現(xiàn)了光生載流子的分離，這部分光生電子空穴對遷移至催化劑表面與反應(yīng)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生氫氣。但光催化制氫的產(chǎn)氣速率距達(dá)成工業(yè)化的目標(biāo)尚有一段距離，需要找到更高效的方法來實(shí)現(xiàn)利用太陽能進(jìn)行催化制氫的目標(biāo)。甲醇蒸汽重整(MSR)是最有效的原位制氫方法，它可以在較低的溫度(低于400℃)下進(jìn)行高效制氫，且已在能源工業(yè)中得到應(yīng)用。然而，隨著甲醇制氫工業(yè)化的推進(jìn)，單純熱條件下的甲醇蒸汽重整越來越暴露出性能瓶頸及能源消耗的問題，因此這并不是一條綠色發(fā)展的途徑。

發(fā)明內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)既能利用太陽能又可高效催化制氫的目標(biāo)，本發(fā)明提出了一種光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫復(fù)合催化劑的制備方法，該復(fù)合催化劑同時(shí)具有光催化制氫及熱催化制氫的雙重特性。其能夠吸收紫外-可見光中的高能光子進(jìn)行光生電荷分離，配合外部輻射帶來所需的溫度，實(shí)現(xiàn)光熱耦合催化制氫。不斷通入氣態(tài)反應(yīng)物，在光熱反應(yīng)器中可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效制氫。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫復(fù)合催化劑的制備方法，該復(fù)合催化劑具有光催化制氫及熱催化制氫的雙重特性。該復(fù)合催化劑在紫外-可見光下具有強(qiáng)吸收能力，其能夠吸收紫外-可見光中的高能光子并激發(fā)催化劑中光生電子空穴對分離，將其遷移至催化劑表面加速反應(yīng)物的氧化還原，增加中間產(chǎn)物，配合外部熱輻射帶來的反應(yīng)溫度，最終在催化劑表面進(jìn)行光熱耦合甲醇重整制氫，實(shí)現(xiàn)既能利用太陽能又可高效催化制氫的目標(biāo)。

一種光熱耦合甲醇蒸汽重整制氫復(fù)合催化劑的制備方法，該方法采用溶膠凝膠法制備二元多孔載體TiO₂-CeO₂，采用濕浸漬法制備復(fù)合催化劑Cu/TiO₂-CeO₂。

進(jìn)一步，選用鈦酸四丁酯與六水合硝酸鈰作為金屬氧化物載體的前驅(qū)體材料，選用高分子表面活性劑作為多孔模板，采用溶膠凝膠法在酸性條件下制備多孔TiO₂-CeO₂前驅(qū)體濕凝膠，在固定溫度及濕度條件下老化足夠時(shí)間得到干凝膠，最終空氣下煅燒得到二元多孔載體TiO₂-CeO₂。

進(jìn)一步，制備二元多孔載體TiO₂-CeO₂的具體步驟為：

(1)將表面活性劑聚醚F127溶解在乙醇中，在40℃下磁力攪拌30分鐘，形成第一溶液；