[发明专利]用于重整含氧化合物的催化剂及方法

说明书

联邦政府赞助研究或开发 

在由商业部国家标准技术研究所更替项目计划(DOC NIST ATP)拨款第70NANB3H3014号和能源部(DOE)拨款第DE-FG36-04GO14258号授予的美国政府援助下进行本发明。美国具有本发明的特定权利。 

技术领域

本发明涉及用于重整包括生物质衍生化合物在内的含氧化合物以便经由例如水相重整的重整方法生成例如氢气或烷烃的产物的催化剂和方法。例如，可以使用在此所公布的催化剂和方法来重整甘油、糖醇、糖、或诸如乙二醇和丙二醇的多元醇以及羟基羧酸的水溶液。 

背景 

存在有限量的当前被用于产生能量的不可再生的化石燃料，例如原油和天然气。生物质(植物衍生材料)是一种最重要的可再生能源。生物质转化为燃料、化学药品、材料和电力，减少了对外国石油和天然气的依赖性。目前，生物质提供了液体运输燃料的唯一的可再生替代品。生物质的使用加强了农村经济、减少了美国对进口石油的依赖性、减少了空气和水的污染、减少了温室气体的排放。 

促进和维持工业部门的活力和增长的关键性挑战是开发有效的和环境友好的技术，用于从可再生资源产生诸如氢气的燃料。从诸如生物质的可再生资源产生能量，降低了二氧化碳的净产出率生成，而二氧化碳是使全球变暖的重要温室气体。这是因为生物质本身在其生命周期内消耗二氧化碳。 

水相重整(APR)是从由生物质(甘油、糖、糖醇)获得的含氧化合物产生富氢燃气的催化重整方法。所得到的燃气可以被用作燃料源，用于经由PEM燃料电池、固体-氧化物燃料电池、内燃机发电机组或燃气轮机发电机组发电。APR方法可以在低温下(例如，低于300℃)通过含氧化合物与液态水的反应产生轻质烃类(例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和己烷)和/或氢气。APR方法的关键性突破是可以在液相中进行重整。可以在有利于水气转化反应的温度(例如，150℃到270℃)下进行APR方法，这使得在单个化学反应器中用少量CO产生氢气成为可能。APR方法的优点包括：(i)在压力(通常为15到50巴)下进行反应，其中富氢流出物可以被有效地提纯；(ii)在低温下产生富氢燃气而不需要挥发水，这提供了一种主要的节能方法；(iii)在有利于水气转化反应的温度下操作，使得在单个化学反应器中用少量CO产生高质量的燃气成为可能，(iv)在使得碳水化合物被加热到高温时通常遇到的不需要的分解反应减到最小的温度下操作，以及(v)利用美国的农业衍生原料。 

APR方法利用包含化学计量为1∶1的C∶O的含氧化合物的热力学性质，以便在单步反应中在相对低温下从这些含氧化合物中产生氢气(见图1)，其不同于用于经由烃的蒸汽重整生成氢气的特定多重反应器系统。图1是根据从化学品性质手册(Chemical Properties Handbook，C.L.Yaws，McGraw Hill，1999)得到的热力学数据作图。 

用于从烃生成氢气的反应条件可以由烷烃的蒸汽重整以生成CO和H₂(反应1)以及水气转化反应从CO生成CO₂和H₂(反应2)的热力学指定。 

图1示出一系列烷烃(CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₆H₁₄)与反应1关联的、用每摩尔所生成的CO归一化的标准吉布斯自由能(ΔG°/RT)的变化。在高于大约675K的温度下，热力学上有利于烷烃的蒸汽重整(即，ΔG°/RT为负值)。C∶0比为1∶1的氧化处理烃根据反应3生成CO和H2。