[发明专利]CO2

说明书

本发明提出了CO₂捕获耦合制氢过程，并基于LDHs设计了用于该过程的层板吸附型催化剂。该层板吸附型催化剂兼具捕获气相CO₂生成CO₃^2‑的功能及储存/释放电子的特性。该层板吸附型催化剂在CO₂捕获耦合制氢中的应用特点为，首先在光/电外场辅助下的光/电催化过程中层间发生CO₃^2‑+4H⁺+2e^‑→CO+2H₂O的化学反应并伴随层板发生e^‑+Mⁿ⁺→M^(n‑1)+的化学反应。该过程后层间CO₃^2‑阴离子被转化为还原产物，同时层板过渡金属离子的d轨道储存电子。在此基础上撤掉外场并向该体系中引入CO₂+H₂O混合气，层板过渡金属离子释放电子，同时层间捕获气相CO₂而恢复层间CO₃^2‑并释放当量氢气，即分别发生M^(n‑1)+→Mⁿ⁺+e^‑，CO₂+H₂O+2e^‑→CO₃^2‑+H₂的化学反应，实现了低能耗下的CO₂捕获耦合制氢的过程。

技术领域

本发明属于CO₂捕获、利用以及制氢领域，具体涉及一种CO₂捕获耦合制氢过程及该过程所用的层板吸附型催化剂和该催化剂的制备方法。

技术背景

资源和环境问题是人类21世纪面临的主要难题。日益枯竭的化石能源储量以及日渐严峻的碳排放形势使得开发和利用可再生清洁能源迫在眉睫。氢能是一种高效清洁的二次能源，是实现能源体系低碳转变的理想储能介质。目前化石燃料重整制氢仍然是最主要的工业制氢路线。但该反应是典型的碳密集过程，累计碳排放量占全球的～3％。因此，亟需开发一种新技术实现CO₂捕获/转化与重整制氢的过程耦合。

层状复合金属氢氧化物(layereddoublehydroxides，LDHs)，即水滑石是一类新型无机功能材料，在多相催化、环境吸附以及光电功能材料等领域具有广泛的应用。LDHs的主体层板由金属阳离子与氧原子形成的MO₆八面体通过共边/棱形成，通常带正电荷；层间为客体阴离子A^n-进行电荷平衡，从而使得整体结构为电中性。基于层间阴离子储存顺序，LDHs层间对CO₂表现出强的化学亲和力，可以捕获气相的CO₂分子并以层间CO₃^2-阴离子形式进行储存。此外，基于LDHs层板组成可调特性，可向LDHs层板引入具有氧化-还原活性的过渡金属离子，从而实现层板吸附型催化剂的构筑。

Zhang等人在文献1Single-atom Cu anchored catalysts for photocatalyticrenewable H₂ production with a quantum efficiency of 56％以及Lee等人在文献2Reversible and cooperative photoactivation of single-atom Cu/TiO₂photocatalysts中报道了过渡金属离子d轨道能够有效捕获并存储光生电子。基于过渡金属离子的这种特性，本发明提出在光/电外场辅助下首先将电子预储存在过渡金属离子中，并随后在CO₂+H₂O的条件下进行CO₂捕获耦合制氢过程。

发明内容

本发明的目的是提供CO₂耦合制氢过程，并提供用于该过程的层板吸附型催化剂及其制备方法。