[发明专利]一种用于化学链制氢的载氧体，其制备方法及应用

说明书

本发明公开一种用于化学链制氢的载氧体及其制备方法和应用，所述载氧体包括5%～65%的Fe₂O₃，5%～65%的羟基磷灰石，30%~90%的Al₂O₃。所述载氧体以HAp/Al₂O₃为载体，采用沉淀法，以硝酸钙和磷酸氢二铵为羟基磷灰石的前驱体，滴加至Al₂O₃小球悬浮液中，再在载体上负载Fe₂O₃作为活性组分，得到Fe₂O₃/HAp/Al₂O₃载氧体。本发明的载氧体可用于化学链制氢，具有比表面积大、活性组分分散性高的特点；羟基磷灰石包覆氧化铝，可以降低载体的酸性，有利于减少积炭量；载氧体低温活性高，可以降低化学链燃烧反应的温度、节省大量能耗、提高反应活性。

技术领域

本发明涉及一种载氧体，尤其涉及一种化学链制氢载氧体，属于化学链制氢领域的载氧体技术。

背景技术

当前随着人口的快速增长、工业化程度的不断深化和能源需求的日益增加，以化石燃料为主的电力生成在满足了能源需求的同时，也带来了很大的环境危害，其中化石燃料燃烧所排放的CO₂导致大气中CO₂浓度不断增加，温室效应不断加强，因此来自于化石燃料燃烧过程中CO₂的控制和减排受到了国际社会的密切关注。

1983年，德国科学家Richter和Knoche首次提出化学链燃烧（chemical loopingcombustion, CLC）的概念。该燃烧技术与通常的燃烧技术最大的区别是不直接使用空气中的氧分子，而是使用载氧体中的氧原子来完成燃料的燃烧过程，燃烧产物（主要是CO₂和水蒸气）不会被空气中的氮气稀释而浓度极高，通过简单冷凝脱水即可得到纯CO₂，简单而低能耗地实现了CO₂的分离和捕集。另外，由于燃料反应器和空气反应器的运行温度相对较低，在空气反应器内几乎无热力型NOx和快速型NOx生成，而在燃料反应器内，由于不与氧气接触，没有燃料型NOx生成。

氢气具有热值高、无污染、不产生温室气体等独特优点引起人们越来越多的关注，有可能取代化石燃料、成为21世纪的清洁能源。鉴于化学链燃烧法的CO₂内分离特点，应用化学链法制氢也成为了当前的一个研究热点。与CLC过程原理相同，以水蒸气代替空气作为氧化剂引入到蒸汽反应器中来氧化载氧体，同时水蒸气中的氢也被还原成氢气。当前，世界上很多研究组包括日本的Hatano对以聚乙烯等固体废弃物为燃料NiO和Fe₂O₃等为载氧体、韩国Son等人对以CH₄为燃料NiO和Fe₂O₃为载氧体、美国的Fan L-S教授研究组对以合成气或煤为燃料Fe₂O₃为载氧体等的化学链制氢过程进行了研究。

化学链制氢过程主要包括三个方面，即载氧体、反应器和系统设计，其中载氧体是现阶段的研究重点。载氧体作为媒介，在两个反应器之间交替循环，不停地把蒸汽反应器中的氧和反应生成的热量传递到燃料反应器进行还原反应，因此载氧体的性质直接影响了整个化学链制氢的效率。高性能载氧体是实现具有CO₂富集特性的化学链制氢技术的关键。目前，用于化学链燃烧的载氧体主要是金属载氧体，包括Fe、Ni、Co、Cu、Mn、Cd等，载体主要有：Al₂O₃、TiO₂、MgO、SiO₂、YSZ等，除此之外还有少量的非金属氧化物如CaSO₄等。我们通过对Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体研究发现被甲烷还原后有大量的积碳，积碳不仅会降低碳捕集效率、影响氢气的纯度，还会影响二氧化碳选择性，即反应过程中有大量的一氧化碳出现，这会使甲烷不能全部转化成二氧化碳。