[发明专利]一种甲烷裂解制氢耦合CO2

说明书

本发明属于燃烧化工与材料领域，具体公开了一种为Ni_xFe_3‑xO₄‑Ca₂Fe_yAl_2‑yO₅的“催化载氧体”。本发明还公开了所述的新型催化载氧体的催化甲烷高效裂解制氢协同CO₂还原方法。本发明提供的新型催化载氧体，可分别调控发生基于化学链循环的甲烷催化裂解制氢反应和CO₂还原反应。该方法对应的具体步骤如下：(1)甲烷裂解阶段，在上述复合催化的条件下催化甲烷裂解，实现高甲烷转化率与高氢气选择性，同时得到副产物纳米碳；(2)CO₂还原阶段，在催化剂及纳米碳存在条件下，实现高二氧化碳转化率与高一氧化碳选择性，同时实现催化载氧体的再生。该方法实现了持续高效产高纯度H₂与CO₂气体减排。

技术领域

本发明涉及功能材料、能源转化及环境保护技术领域，尤其涉及一种化学链甲烷裂解制氢及CO₂还原方法。

背景技术

在不远的将来，氢能将成为人类利用能源的主要方式，人类将建立起以氢能为主体的能源利用经济模式。氢作为燃料的优点十分明显。首先，氢是最清洁的、可再生的燃料。化学燃烧的产物是水，只有当火焰温度很高时才会生成部分氮氧化物。电化学燃烧时只产生水，不会产生化石燃料燃烧时产生的污染物。除了用作燃料，氢还是现代工业生产中重要的化工原料，特别是在化肥、石油化工、煤化工、食品加工、塑料工业、有机合成、冶金等行业中用量很大。目前，世界上商业化生产的氢有大约95％来自煤、石油、天然气等化石燃料制取。

众所周知，温室效应将导致地球上的气温升高、海平面上升，严重时会破坏生态系统平衡，甚至危及人类的健康和生存。而二氧化碳是造成温室效应的最主要因素，据统计，全球每年因化石原料燃烧向大气中排放的二氧化碳高达200亿吨。高效的进行烟气中二氧化碳的转化，能够很大程度上的缓解温室效应。

现有的甲烷制氢技术主要包括甲烷蒸汽重整、甲烷干重整、甲烷部分氧化和甲烷催化裂解等。其中，甲烷蒸汽重整的应用最为广泛，甲烷蒸汽重整制氢采用甲烷和水蒸气为原料，通常包括高温甲烷蒸汽重整、低温水气变换、甲烷化、二氧化碳脱除或变压吸附等步骤，该技术最为成熟，但该制氢系统受天然气品质影响较高，系统流程复杂，若不采用碳捕集技术则碳氧化物排放量大，若采用碳捕集技术，则成本大幅度提高。甲烷干重整技术以甲烷和二氧化碳作为原料，在催化剂的条件下实现甲烷和二氧化碳的利用，能够减少二氧化碳的排放，产物气体有利于费托合成，并且反应条件温和。制约该技术发展的主要原因包括积碳问题严重，催化剂易失活，且该反应受逆水气变换影响较大等。甲烷部分氧化反应主要以甲烷、氧气或适当活性的载氧体为原料，通过优化反应过程参数，实现甲烷部分氧化为一氧化碳和氢气的混合气。其优点包括甲烷转化率高，流程简单，但该技术得到的产物主要以一氧化碳与氢气的混合气为主，若想得到高纯度的氢气，还需要一系列的后处理措施。

甲烷催化裂解制氢技术操作及流程简单，可一步得到高纯度氢气，且副产物为纳米碳，经过特殊处理后，可得到高值的碳材料，且不会向环境中排放碳氧化物。目前，甲烷裂解制氢技术仍处于实验室研发阶段，相比上述甲烷转化技术，仍处于起步阶段，且存在许多技术难题亟待解决，例如甲烷裂解过程的甲烷转化率有待进一步提高、产物中氢气与甲烷的分离问题、用于甲烷裂解的催化剂的稳定性问题、得到的副产物积碳和催化剂的分离问题等。

发明内容