[發(fā)明專利]一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化甲烷裂解制氫的方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110598514.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113307225B
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊麗;宣國會(huì);辛春梅;劉方;劉帥;翟成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B3/26
• 分類號(hào): C01B3/26;C01B3/30
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 殷星

本發(fā)明公開了了一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化甲烷裂解制氫的方法與應(yīng)用。該方法采用8~16目椰殼活性炭為載體負(fù)載炭黑，經(jīng)過一系列制備流程將兩種碳催化劑相結(jié)合，于850~1000℃常壓下反應(yīng)。該方法有效提高了單一活性炭催化劑催化甲烷裂解制氫的轉(zhuǎn)化率，使活性炭催化劑具有更高的初始轉(zhuǎn)化率并表現(xiàn)出延緩失活的效果，這將是一種有效提高廉價(jià)活性炭催化活性的方法。本發(fā)明對(duì)碳催化劑催化甲烷裂解制氫工業(yè)應(yīng)用及提升甲烷裂解轉(zhuǎn)化率具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及甲烷裂解制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化甲烷裂解制氫的方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

氣候變化和能源枯竭是當(dāng)今世界所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，隨著人口增加，能源需求量也將持續(xù)增加，開發(fā)高效清潔能源勢在必行。氫能作為最具前景的能源形式，具有高熱值、無污染，可再生的巨大優(yōu)勢。甲烷是天然氣的主要成分，是大規(guī)模工業(yè)化制氫最常用的原料。甲烷制氫通常通過蒸汽重整或部分氧化進(jìn)行。

CH₄+H₂O＝CO+3H₂

盡管天然氣重整已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟，但這種方法一方面會(huì)造成大量二氧化碳排放，不利于溫室氣體減排；另一方面，反應(yīng)進(jìn)行需要吸收大量的熱，能耗較高。因此，近年來，甲烷裂解制氫作為一種低能耗，低排放的制氫方法，被廣泛研究，是目前最具前景的制氫方法。由于甲烷性質(zhì)穩(wěn)定，無催化裂解溫度大于1500℃，因此甲烷催化裂解成為研究熱點(diǎn)。催化劑能大大降低反應(yīng)所需溫度，提高氫產(chǎn)率。

甲烷直接裂解制氫是一種清潔的制氫工藝，甲烷經(jīng)高溫分解成氫和碳，該過程不產(chǎn)生CO₂，是連接化石燃料和可再生能源的過渡工藝。甲烷裂解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，生成氫氣所要消耗的能量為37.8kJ/mol，甲烷分子中C-H非常穩(wěn)定，非催化甲烷裂解反應(yīng)在1000℃以下的裂解速率非常低，而催化裂解時(shí)可大大降低反應(yīng)溫度，提高氫產(chǎn)率。一般認(rèn)為，甲烷分子在催化劑上的裂解過程從甲烷在活性位點(diǎn)的解離吸附開始，而后發(fā)生一系列表面解離反應(yīng)，最后形成單質(zhì)碳和氫氣，具體機(jī)理如下：

首先，甲烷分子被催化劑的活性位吸附，并裂解形成一個(gè)氫原子和甲基自由基：

(CH₄)_g→(CH₃)_a+(H₂)_a

然后，甲基自由基發(fā)生逐步的解離，并最終形成碳和氫氣：

(CH_3-x)_a→(CH_2-x)_a+(H)_a

(C)_a→1/n(C_n)_c(碳晶粒的生長)

2(H)_a→(H₂)_g(氫氣的形成)

目前甲烷裂解制氫的研究重點(diǎn)主要集中在研制高效易得，價(jià)格低廉，穩(wěn)定性強(qiáng)的催化劑上，金屬催化劑催化活性較高，穩(wěn)定性較好，催化甲烷裂解轉(zhuǎn)化率較高，但金屬催化劑成本高，另外金屬催化劑在催化過程中會(huì)形成碳納米管(CNTs或CNFs)，這些碳管將具有催化活性的金屬顆粒從載體表面推離開，再生過程通常使用蒸汽去除積碳，這將導(dǎo)致金屬顆粒脫落，催化劑結(jié)構(gòu)被破壞，因此金屬催化劑很難再生。