用于热化学水裂解的催化剂制造技术

本发明专利技术涉及用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳的催化剂，其包括二氧化铈和二氧化铀的固溶体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳的催化剂。本专利技术进一步涉及用于制备用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳的催化剂的方法。本专利技术进一步涉及用于生成氢和/或一氧化碳的反应器和方法。本专利技术进一步涉及固溶体和固溶体的用途。在全球层面上能源和环境问题是重要议题并且在一段时间内在一定程度上聚焦在清洁能源的生成。氢的双原子形式，H2，作为能量载体，具有至少部分地满足全球能源需求的潜力。当双原子氢与氧反应时，存储在H-H键内的通量被释放，同时产生作为最终产物的水(H2O)。这，与氢的约122kJ/g的能量密度结合，给出使用氢(H2)作为燃料的明显的优势。作为反应成分，氢用于许多工业化学过程，像例如合成甲醇、高级碳氢化合物和氨。不幸的是，双原子形式的氢并不是自然地丰富地可获得的。然而，由于其高反应性，氢更通常地以单个原子键合于其它元素，如氧和/或碳。从这些化合物生成双原子氢是与热力学规律的竞争，因此需要额外的能量来打破这些天然存在的键。目前，氢主要产自化石燃料、生物质和水。虽然通过天然气的蒸汽重整来生成双原子氢的技术是成熟的，但它不能保证氢经济的长期战略，这是因为它既不可持续也不清洁。通过水的电解来生产双原子氢并不是能量有效的方法，因为通过此方法获得的氢携带比为生产它所需要的能量输入更少的能量。因此，研究已集中于开发用来产生氢的新方法。太阳能的全球可用性据说是约4.3x1020J/h，其相当于约1000W/m2的辐射通量密度。因此，生成氢的可持续的方法将是使用太阳能。在适当的高温条件下通过使水和催化剂接触，可以由水产生氢。这种所谓的从水热化学生成氢可以利用可还原的金属氧化物作为催化剂来进行。金属氧化物通常是固体材料。该方法可以包括两个步骤。在第一步骤中，金属氧化物被还原，从而生成双原子氧，O2。技术人员将理解，此第一步骤并不涉及使催化剂和水接触。然后，在第一步骤以后的第二步骤中，利用水作为氧化剂，将还原的金属氧化物再次氧化。利用来自水分子的氧来氧化催化剂，导致生成氢。此过程可以循环重复。总体反应机理可以由以下反应图解来表示：MOX→MOx-1+1/2O2   (步骤1)MOx-1+H2O→MOx+H2     (步骤2a)其中M表示金属以及x≥1。步骤1的反应，其是吸热的，被本专利技术人看作两步法的瓶颈，这是因为该反应需要相对高量的能量。步骤2a的反应是放热的并再次导致MOx，在进一步的步骤1中，其进而可以被再次还原。以另一种方式说，步骤1和2a可以循环重复，从而允许以相对高的量以及以基本上连续的方式来生成氢和氧。作为反应步骤2a，即氧化步骤，的替代方案或除反应步骤2a，即氧化步骤，以外，二氧化碳可以用来氧化还原的金属氧化物以形成一氧化碳。MOx-1+CO2→MOx+CO   (步骤2b)本专利技术人相信，可以使用水和一氧化碳的混合物，其导致按照步骤2a和步骤2b的同时反应。然后形成的气体混合物，即，包含氢和一氧化碳的混合物，可以用作合成气。合成气进而可以用于进一步的反应而变成各种各样的化学物质。鉴于上述反应图解，技术人员将理解，在步骤1和2a和/或2b中被循环还原和被氧化的材料并没有被消耗。因此，如在本文中所使用的，这样的材料被看作催化剂，更尤其是这样的催化剂，其用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳。除非另有说明，否则如在本文中所使用的，术语氧是指双原子或分子氧，O2。除非另有说明，否则如在本文中所使用的，术语氢是指双原子或分子氢，H2。Chue等(Dissociation of CO2and H2O Using Nonstoichiometric Ceria；William C.Chueh,Christoph Falter,Mandy Abbott,Danien Scipio,Philipp Furler,Sossina M.Haile,Aldo Steinfeld,Science,Vol.330,24December 2012,1797-1780)已经报道了使用非化学计量铈土用于高通量太阳能驱动热化学离解CO2和H2O的装置和过程。在这篇文章中，报道了，在约900℃的起始温度下(onset temperatue)观测到氧放出，其中铈土是指氧化铈。Kaneko等的出版物(Reduction reactivity of CeO2–ZrO2oxide under high O2partial pressure in two-step water splitting process；H.Kaneko,S.Taku,Y.Tamaura；Solar Energy 85,2011,2321–2330)还披露了用于两步骤水裂解过程的基于铈土的催化剂。得出的结论是，在空气下，借助于通过聚合复合方法制备的CeO2–ZrO2氧化物，进行O2释放反应并且还可以成功地重复CeO2–ZrO2的循环氧化还原反应。借助于Ce1-xZrxO2(0≤x≤0.3)放出的O2气体的量大于借助于CeO2放出的O2气体的量，并且借助于Ce0.8Zr0.2O2(x＝0.2)则显示2.9cm3/g的最大体积。在Ce0.8Zr0.2O2中从Ce4+变化至Ce3+的还原的铈离子的产率是约11％，其比在CeO2中的产率大7倍。证实了，在O2释放反应中在CeO2–ZrO2氧化物中的Ce3+和氧空位(vacancy)略有增加。发现，借助于CeO2–ZrO2氧化物的O2释放反应的增强是起因于引入Zr4+，在氟石结构中，其具有比Ce3+或Ce4+更小的离子半径。起因于Ce4+的还原的晶格的膨胀得到在氟石结构中迁移的Zr4+的补偿。本专利技术的一个目的是提供用于热化学生成氢的催化剂。更具体地说，本专利技术的一个目的是提供用于基于金属氧化物还原和氧化循环热化学生成氢的催化剂，其中还原催化剂所需要的能量的量是相对较低的。本专利技术的另一个目的是提供用于热化学生成氢的催化剂，其在使用中导致氢形成的相对较高产率。在一定程度上，本专利技术提供了用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳的催化剂，包括二氧化铈和二氧化铀的固溶体。CeO2具有氟石结构，其中Ce4+与O2-8倍配位以及O2-与Ce4+4倍配位。为了维持化学计量，每隔一个单元晶胞(unit cell)缺乏Ce4+。此结构，与相对较弱的Ce4+与O2-键强度相结合，允许快速氧扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳的催化剂，包括二氧化铈和二氧化铀的固溶体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.25 EP 12005418.41.一种用于从水热化学生成氢和/或从二氧化碳热化学生成一氧化碳
的催化剂，包括二氧化铈和二氧化铀的固溶体。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其中，铈和铀的摩尔比率是50至
0.05，优选10至0.1，更优选10至1。
3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其中，基于二氧化铈、二氧化
铀和二氧化锆的总量，所述固溶体进一步含有至多40.0mol％的量的
二氧化锆。
4.根据前述权利要求1-3中的一项或多项所述的催化剂，其中，所述
固溶体具有氟石晶体结构。
5.根据前述权利要求1-4中的一项或多项所述的催化剂，其中，基于
所述固溶体的重量，在所述固溶体中二氧化铈、二氧化铀和可选的
二氧化锆的总量是至少95.0wt％，优选至少99.0wt％，更优选至少
99.9wt％。
6.一种固溶体，包含二氧化铈、二氧化铀和二氧化锆，其中，基于二
氧化铈、二氧化铀和二氧化锆的总量，二氧化锆的量是至多40
mol％。
7.一种用于生产根据前述权利要求1-6中任何一项或多项所述的固溶
体的方法，包括在水中溶解铈盐、铀盐和可选的锆盐，接着通过添
加碱在至少8的pH下进行沉淀。
8.一种用于生产根据前述权利要求1-5中任何一项或多项所述的催化
剂的方法，包括用于生产根据权利要求7所述的固溶体的方法，接
着干燥所得...

【专利技术属性】
技术研发人员：希卡姆·伊德里斯，易卜拉赫姆·阿尔尚基提，崔容满，费塞尔·穆罕默德·阿尔奥泰比，
申请(专利权)人：沙特基础工业公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA