[发明专利]一种生产纳米碳和氢气的催化剂和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产纳米碳和氢气的催化剂和方法，尤其涉及一种以烃为原料进行裂解，生产纳米碳和氢气的催化剂和方法。

背景技术

低级碳氢化合物（烃）裂解为成碳和氢，其为吸热反应，如果想通过一步反应达到高的转化率，就需要较高的反应温度，但是，由于较高的分解反应温度进行分解较低的碳氢化合物，带来反应速度提高，就造成在固体催化剂表面生成大量的固体结碳。这种固体结碳里面除了一些功能性的纳米碳，碳纳米纤维以外，它还含有无定形碳副产品。无定形碳的生成将导致与金属催化剂反应，而产生一种惰性金属碳化物覆盖催化剂的表面，降低了催化剂的催化活性，降低分解氢和碳纳米碳的反应速度，降低碳氢化合物的转换速度。因此，传统的制造方法是尽可能用高纯度的烃类为原料。

近年来，石油等化石资源的枯竭担忧，太阳能，风能和生物质能成为引人注目的替代能源，氢气燃烧不排放引起温室效应的二氧化碳，所以已作为一种清洁能源引起人们的极大关注。沼气是一种可再生能源，主要成分为低级烃甲烷，利用沼气代替石油化工烃产品为原料，裂解制备纳米碳和氢气，能够解决石油短缺带来的压力。但是，如上述所述，现有的裂解低级烃生产纳米碳的方法，必须要高纯度的烃原料，对碳氢化合物的精制设备的需要、以及运行成本的增加成为产业化的阻碍，如沼气里二氧化碳的去除需要PSA或膜分离设备。

发明内容

针对利用烃裂解生产纳米碳和氢气存在的上述问题，本发明提供了一种新的生产纳米碳和氢气的催化剂和方法，降低了烃原料纯度要求，从而降低了纳米碳和氢气的生产成本。

本发明提供的生产纳米碳和氢气的方法，步骤包括：以烃为原料，在0~1MPa压力、500~850℃温度条件下，催化裂解烃得到纳米碳粗品和氢气，将纳米碳粗品在250~400℃煅烧0.8~1.5h，然后在浓盐酸中回流2~5h，收集固体，干燥，得到纯净的纳米碳。

优选地，所述生产纳米碳和氢气的方法，将纳米碳粗品在300℃煅烧，然后在浓盐酸中100℃回流。

其中，所述原料可以是目前已知的能够裂解生产纳米碳和氢气的任意烃，优选为C1~C5的烃中的任意一种或几种，或含有C1~C5烃中任意一种的混合气体，如甲烷、乙烷，丙烷，丁烷，乙烯，丙烯，丁二烯、戊烷中的任意一种或几种、或含有上述任意烃的混合气体。

根据本发明所述生产纳米碳和氢气的方法的一种优选实施例，所述原料为沼气。更优选地，所述沼气中可以含有二氧化碳、一氧化碳、氮气、水、氧气中的任意一种或几种。

根据本发明所述生产纳米碳和氢气的方法的更优选实施例，所述沼气中含有体积含量为0.05%-35%的二氧化碳，含有体积含量为0.05%-10%的水、和/或一氧化碳、和/或氧气、和/或氮气。

本发明所述生产纳米碳和氢气的方法中，所述裂解烃所用催化剂的活性金属优选为铁、镍、钴中的任意一种或几种的混合物。其中，所述催化剂还可以包括第二金属，第二金属选自门捷列夫元素周期表第IB和VIII族金属，如铜、金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铂。

所述催化剂还包括载体，所述载体选自氧化镁、氧化铝、氧化硅，更优选为氧化镁。

优选地，所述催化剂制备方法为：在反应溶剂中，M(NO₃)_X、载体金属化合物、和有机羧酸在40~55℃反应0.5~2h，然后去除溶剂；在8±0.5h，内从100±5℃升温至600±5℃将固体烧结，然后用氢气还原得到所述金属M-氧化物催化剂，M(NO₃)_X选自Ni(NO₃)₂、Co(NO₃)₂、或Fe(NO₃)₃；载体金属化合物选自Mg(NO₃)₂、Al(NO₃)₃、SiO₂、Al₂O₃。