[发明专利]一种光热耦合催化CO甲烷化的Co基催化剂

说明书

本发明公开了一种光热耦合催化CO甲烷化的Co基催化剂及其制备方法和应用，其是以Co纳米粒子为活性组分，将其负载在具有光吸收性能的CeO₂半导体载体上，制得负载型Co基催化剂。本发明所得催化剂具有无毒无害、制备简单、价格低廉等特点，其通过负载Co纳米粒子拓展了CeO₂半导体的光吸收范围，从而可利用光热耦合作用实现CO在氢气气氛中的甲烷化，以利于氢能源中CO气体的去除，适合推广应用。

技术领域

本发明属于环境保护及能源净化领域，具体涉及一种以二氧化铈为载体的Co基催化剂及其制备方法和应用，该负载型Co基催化剂可通过光热耦合作用提高对氢气气氛中CO的催化效果。

背景技术

自从上世纪70年代以来，环境污染的不断恶化，如酸雨问题、温室效应、臭氧层空洞问题和水质污染等，已经严重危害了人类的正常生活和身体健康。其中，在我国城市大气污染中，汽车尾气排放所占比例已超过70%，而汽车尾气的排放不仅给我们的生活、环境造成了极大的危害，同时对人体的健康也带来了不可忽视的伤害。为了解决汽车所带来的环境污染和能源匮乏等问题，世界各国对汽车制造提出了更严格的要求，节省能源、减少污染、高效率的汽车将是世纪汽车工业追求的主要目标。因此，开发新型汽车动力系统，采用新型的燃料并提高利用效率、降低尾气中污染气体的排放量已经成为当今社会的热门研究课题。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料，燃料电池的产物中只有水，因而对环境不会造成任何污染，且具有能量密度高、工作寿命长、反应速度快、使用温度低等优势，将有望取代传统内燃机成为新型汽车动力装置。目前，相关研究已经成为化学及能源科学领域内的一个热点，许多国家都在投入大量的人力和物力来发展这一技术。

质子交换膜燃料电池以富氢气体为燃料来源，然而工业制氢一般都是采用天然气或轻油蒸汽转化法、重油或煤的部分氧化法等方法，这些制氢方法拥有的共同问题是制备的富氢气体中一般都含有一定量的一氧化碳气体，受热力学限制，即使经过水煤气变换后，一氧化碳含量仍有0.5~2%(V/V)，过多的一氧化碳会使质子交换膜燃料电池的电极发生中毒，从而导致燃料电池的效率明显降低。因此，在富氢气体进入燃料电池之前必须将其中含有的一氧化碳进行深度脱除。

CO脱除装置用在燃料电池上必须做到重量轻、体积紧凑、接触快速、反应快速、结构简单、环境友好、寿命要长、安全可靠等。从工艺设计和操作难度上考虑，物理脱除的方法大多数工艺复杂、体积庞大、操作难度大，因此不宜在燃料电池中采用。而化学脱除的方法可以非常有效地减小燃料电池脱除装置的体积，同时可以有效的去除CO。化学脱除富氢气中CO的方法主要有选择性氧化和选择性甲烷化技术。对于选择性氧化法而言，由于CO氧化反应和H₂被氧化成水的反应均属于强放热反应，所以必须严格控制反应条件，防止H₂被氧化而过度损耗。此外，需向反应体系中额外通入空气或纯氧作为氧化剂，大大增加了该技术的设备流程以及经济上的负担。与选择性氧化法相比，选择性甲烷化法工艺上无需另外添加任何反应物和设备，且反应过程放出的热量较的选择性氧化反应少，因此反应温度更易于控制。另外，该反应生成的甲烷对燃料电池的电极不会产生毒害作用，因此甲烷化法脱除富氢气体中的微量CO一直得到广泛的研究。

从热力学角度来看，甲烷化反应是强放热反应，反应温度越高热效应越明显，平衡常数逐渐减小，故低温有助于生成甲烷；而且温度升高可能会使催化剂烧结失活。因此，甲烷化反应适宜于在较低的温度、较高的H₂/CO比例下进行，而如何提高低温下CO甲烷化的反应活性、提高CO转化率，对于氢能源的净化具有重要意义。

发明内容

本发明为克服单纯热催化驱动CO甲烷化存在的不足，提高催化剂的低温活性及对CH₄的选择性，提供了一种光热耦合催化CO甲烷化的Co基催化剂及其制备方法和应用，其通过将Co纳米粒子负载在半导体二氧化铈上，以利用光热耦合作用提高催化剂催化CO甲烷化的性能，解决常规Co催化剂需在较高温度下才能催化CO甲烷化反应的问题，且该催化剂制备方法简单易行，有利于推广应用。