[发明专利]一种利用负载型催化剂直接转化二氧化碳制备甲烷的方法

说明书

本发明涉及太阳能及其应用领域，提供一种利用负载型催化剂直接转化二氧化碳制备甲烷的方法，利用太阳光为负载型催化剂的合成及催化过程供光、供热，光热合成法制备的负载型催化剂直接利用太阳光中紫外光、可见光和红外部分，从而诱导光热催化反应利用氢气还原二氧化碳制备甲烷。光热合成法制备的负载型催化剂的组分：活性组分为金属钌纳米粒子；载体材料为具有高比表面积、碱性的镁铝层状双金属氢氧化物‑石英滤纸复合载体。合成方法采用水热合成法，太阳能协助的原位还原技术实现活性组分金属钌纳米粒子的负载，合成能耗低及贵金属用量低。

技术领域

本发明涉及太阳能及其应用领域，特别涉及一种利用负载型催化剂直接转化二氧化碳制备甲烷的方法。

背景技术

20世纪以来，工业化大生产的腾飞带动了经济的高速发展以及人类生活水平的迅速提高，然而也导致了石油、媒等传统化石能源的快速消耗并排放了大量二氧化碳。通过化学途径将二氧化碳直接转化为甲烷，既能降低大气中二氧化碳浓度又能生成能源，同时解决人类社会所面临的环境及能源问题，因而这方面相关的研究与技术开发备受关注。

热催化在石油工业中占据主导地位，其对工业生产意义重大。然而，传统热催化主要依靠电能供热，能耗巨大。光催化技术的发展主要在实验室研究阶段，效率较低。利用太阳能采用光热技术实现催化反应是一种新技术，相关研究及技术开发仍处在初步阶段。光热催化剂是利用光热技术诱导发生催化反应的核心，其有别于热催化剂和光催化剂之处在于既可利用太阳光中的紫外及可见光波段实现光激发，也能利用红外波段实现热激发，因而依靠热激发辅以光激发的电子及空穴诱导表面吸附的反应物发生氧化还原反应。光热催化技术具有实现低能耗及高效率突破的极大可能性。

二氧化碳甲烷化是一类重要的催化反应，由法国化学家Paul Sabatier首先提出，上世纪60年代起应用于航天领域，将宇航员呼吸产生的二氧化碳通过氢气还原成甲烷和水，然后再将水电解产生氧气重新供给宇航员呼吸，甲烷被作为废气排出或回收做它用。尽管甲烷同样具有温室效应，但与其他化石燃料相比，甲烷具有更高的燃烧值且燃烧过程洁净安全，同时甲烷也是大量有机化学品的基础原料。因此，将二氧化碳富集回收再通过甲烷化反应制备甲烷具有重要意义。从热力学角度来看，高温下甲烷化反应受热力学抑制；而从动力学角度来看，甲烷化反应需要将氧化态的碳原子完全还原。因此，选取较高催化活性且同时具备优良选择性的催化剂至关重要。目前，二氧化碳甲烷化反应催化剂主要是Ⅷ族金属镍(Ni)、钴(Co)、铑(Rh)、钌(Ru)和钯(Pd)等催化剂，该族金属催化剂表现出较好的催化性能。而大多数催化剂都是以上述金属催化剂作为活性组分，选取不同载体进行负载，从而优化催化剂的性能。就催化剂而言，开发高活性、低贵金属用量的负载型催化剂，从技术角度来看，具有研究价值；从经济角度来看，具有潜在的商业价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种利用负载型催化剂直接转化二氧化碳制备甲烷的方法，同时利用太阳能供光、供热协助负载型催化剂的合成，解决现有技术中热催化过程的能耗大、生产成本高及光催化过程的催化剂用量大等问题。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。

一种利用负载型催化剂直接转化二氧化碳制备甲烷的方法，利用太阳光为负载型催化剂的合成及催化过程供光、供热，所述负载型催化剂直接利用太阳光中紫外光、可见光及红外部分，诱导光热催化反应利用氢气还原二氧化碳制备甲烷。

所述负载型催化剂的活性组分为过渡族第Ⅷ族元素的钌，负载于镁铝层状双金属氢氧化物-石英滤纸复合载体。

所述负载型催化剂利用光热合成法制备，其合成包括如下步骤：

(1)将可溶性镁盐、铝盐和尿素溶解于蒸馏水中，搅拌10min后放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜中，再放入石英滤纸充分浸渍，在120℃下水热合成24h，取出后使用蒸馏水冲洗石英滤纸，再通过真空干燥获得镁铝层状双金属氢氧化物-石英滤纸复合载体；