一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体及其制备方法和应用技术

一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体及其制备方法和应用，氧载体的通式为NiO‑AFe

An oxygen carrier for chemical chain combustion and cracking and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体及其制备方法和应用
本专利技术属于甲烷化学链燃烧、甲烷裂解制氢和碳材料、碳的气化氧载体
，具体涉及一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体及其制备方法和应用。
技术介绍
近些年来，虽然非化石燃料能源开发力度不断加大，但目前仍以原油、原煤等化石燃料为主要能源供应。化石燃料燃烧过程中排放的大量温室气体会引发全球变暖，导致环境恶化。在传统的化石燃料燃烧过程中，由于空气中N2的稀释，CO2的分离成本很高，因此迫切需要降低CO2的分离成本，以实现其廉价捕集。与传统化石燃料相比，氢能是一种新型能源，具有零污染、利用率高等优点。以氢气为能源的氢燃料电池可广泛应用于：大型电站发电、便携移动电源、应急电源、家庭电源、汽车、火车、飞机、军舰、深海潜水等。氢燃料电池对氢气的质量要求非常高，杂质如CO、CO2、CH4等含碳化合物会对电池电极造成不可逆碳蚀，导致电池失效。因此迫切需要高纯度的氢气。甲烷是天然气、可燃冰、页岩气、煤层气等主要成分，甲烷化学链燃烧(CLC)技术以甲烷作为燃料，利用氧载体中的晶格氧与甲烷发生完全燃烧反应，避免了燃料与空气的直接接触，其尾气只有CO2和H2O，通过简单冷凝将H2O分离出来，即可得到高纯度的CO2，具有很大的环境效应，但单一的CLC工艺在经济上还有一定的局限性。甲烷催化裂解制氢可以得到几乎不含碳氧化合物的纯净H2，可直接用于燃料电池，此外产生的纳米碳材料可作为聚合物添加剂、催化剂载体或直接用作催化剂等方面，应用非常广泛，包括国防军工、航空航天、汽车轻量化、风力发电、压力容器储罐、体育休闲等，具有极大的经济效益氧载体/催化剂是甲烷化学链燃烧技术和甲烷裂解制氢技术的关键，不仅要求其在两种技术中保持高活性还要有高的循环稳定性。金属Ni反应活性虽高，但反应一段时间后金属Ni颗粒发生团聚失活，一般将其担载在Al2O3、SiO2、TiO2、MgAl2O4等惰性氧载体上以改良其催化/机械性能，但是依然存在稳定性差，抗积碳能力差，易失活的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体及其制备方法和应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体，该氧载体的化学式为NiO-AFexAl12-xO19，其中，A＝La或Ba，0＜x＜5，镍与铁的摩尔比值大于0小于等于10。一种如上所述的用于化学链燃烧和裂解的氧载体的制备方法，向加热的水中，加入La、Fe、Al与Ni的前驱体，或加入Ba、Fe、Al与Ni的前驱体，混合均匀，得到前驱体溶液，将前驱体溶液加入到饱和碳酸铵溶液中，混合均匀，然后调节pH到8-11，搅拌后，过滤得到沉淀，将沉淀干燥后，先于400～500℃下焙烧2～5h，然后在600～1000℃下煅烧2～5h，降至室温，得到用于化学链燃烧和裂解的氧载体。本专利技术进一步的改进在于，饱和碳酸铵的物质的量为La、Fe、Al与Ni的总的物质的量的1.5倍，或饱和碳酸铵的物质的量为Ba、Fe、Al与Ni的总的物质的量的1.5倍；Ba的前驱体为Ba(NO3)2与Ba(CH3COO)2中的至少一种；Fe的前驱体为FeCl3、Fe(NO3)3与FeSO4中的至少一种；Ni的前驱体为Ni(NO3)2、Ni(CH3COO)2与NiCl2中的至少一种；Al的前驱体为AlCl3、Al(NO3)3与Al2(SO4)3中的至少一种；La的前驱体为La(NO3)3，前驱体溶液中La、Fe、Al与Ni的前驱体的浓度为0.9～1.2mol/L；前驱体溶液中Ba、Fe、Al与Ni的前驱体的浓度为0.9～1.2mol/L。一种如上所述的用于化学链燃烧和裂解的氧载体的制备方法，向加热的水中，加入La、Fe、Al与Ni的前驱体，或加入Ba、Fe、Al与Ni的前驱体，混合均匀，得到前驱体溶液，将前驱体溶液加入到饱和柠檬酸溶液中，混合均匀，然后调节pH到5-8，搅拌蒸干至凝胶状态后干燥，于400～500℃下焙烧2～5h，然后在600～1000℃下煅烧2～5h，降至室温，得到用于化学链燃烧和裂解的氧载体。本专利技术进一步的改进在于，柠檬酸与前驱体溶液中总的阳离子的摩尔比为1.5-2.0；Ba的前驱体为Ba(NO3)2与Ba(CH3COO)2中的至少一种；Fe的前驱体为FeCl3、Fe(NO3)3与FeSO4中的至少一种；Ni的前驱体为Ni(NO3)2、Ni(CH3COO)2与NiCl2中的至少一种；Al的前驱体为AlCl3、Al(NO3)3与Al2(SO4)3中的至少一种；La的前驱体为La(NO3)3，前驱体溶液中La、Fe、Al与Ni的前驱体的浓度为0.9～1.2mol/L；前驱体溶液中Ba、Fe、Al与Ni的前驱体的浓度为0.9～1.2mol/L。一种如上所述的用于化学链燃烧和裂解的氧载体的制备方法，向加热的水中，加入La、Fe、Al与Ni的前驱体，或加入Ba、Fe、Al与Ni的前驱体，混合均匀，得到前驱体溶液，将前驱体溶液加入到饱和甘氨酸溶液中，混合均匀后，搅拌蒸干至凝胶状态，然后置于250℃的马弗炉中，物质进行燃烧，将所得物质研磨成粉末，于400～500℃下焙烧2～5h，然后在600～1000℃下煅烧2～5h，降至室温，得到用于化学链燃烧和裂解的氧载体。本专利技术进一步的改进在于，La的前驱体为La(NO3)3，Ba的前驱体为Ba(NO3)2；Fe的前驱体为Fe(NO3)3；Ni的前驱体为Ni(NO3)2；Al的前驱体为Al(NO3)3；饱和甘氨酸溶液中的NH4+与前驱体溶液中的NO3-的物质的量的比为1.1-1.5：1；前驱体溶液中，Ba的前驱体浓度为0.9～1.2mol/L；La的前驱体浓度为0.9～1.2mol/L；Fe的前驱体浓度为0.9～1.2mol/L；Ni的前驱体浓度为0.9～1.2mol/L；Al的前驱体浓度为0.9～1.2mol/L。一种如上所述的氧载体在甲烷化学链燃烧以及甲烷裂解反应中的应用。本专利技术进一步的改进在于，甲烷气体在燃料反应器中与氧载体发生燃烧反应生成CO2和H2O，反应后的部分氧载体进入到催化反应器中进行甲烷裂解反应生成H2和碳材料；在燃料反应器中反应后的部分氧载体和催化反应器中反应后的氧载体进入到氧化反应器中进行氧化再生反应。本专利技术进一步的改进在于，燃烧反应、甲烷裂解反应与氧化反应的温度均为700-1000℃。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术氧载体是由NiO与铁基六铝酸盐结构AFexAl12-xO19复合而成，Ni和Fe共同提供氧化还原活性中心，适量的Ni负载与Fe掺杂以及NiO与铁基六铝酸盐之间的强相互作用具有一种促进甲烷完全转化与甲烷催化裂解的协同效应。新鲜的氧载体在甲烷化学链燃烧中为甲烷提供晶格氧，产生CO2和H2O，与此同时氧载体中Ni和Fe被还原。之后被还原的Ni和Fe作为催化剂催化甲烷裂解反应，裂解碳在Ni和Fe催化剂上生成，六铝酸盐结构可为Ni和Fe提供高的分散度，减缓催化剂颗粒被碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体，其特征在于，该氧载体的化学式为NiO-AFe

【技术特征摘要】
1.一种用于化学链燃烧和裂解的氧载体，其特征在于，该氧载体的化学式为NiO-AFexAl12-xO19，其中，A＝La或Ba，0＜x＜5，镍与铁的摩尔比值大于0小于等于10。


2.一种如权利要求1所述的用于化学链燃烧和裂解的氧载体的制备方法，其特征在于，
向加热的水中，加入La、Fe、Al与Ni的前驱体，或加入Ba、Fe、Al与Ni的前驱体，混合均匀，得到前驱体溶液，将前驱体溶液加入到饱和碳酸铵溶液中，混合均匀，然后调节pH到8-11，搅拌后，过滤得到沉淀，将沉淀干燥后，先于400～500℃下焙烧2～5h，然后在600～1000℃下煅烧2～5h，降至室温，得到用于化学链燃烧和裂解的氧载体。


3.一种如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，饱和碳酸铵的物质的量为La、Fe、Al与Ni的总的物质的量的1.5倍，或饱和碳酸铵的物质的量为Ba、Fe、Al与Ni的总的物质的量的1.5倍；
Ba的前驱体为Ba(NO3)2与Ba(CH3COO)2中的至少一种；Fe的前驱体为FeCl3、Fe(NO3)3与FeSO4中的至少一种；Ni的前驱体为Ni(NO3)2、Ni(CH3COO)2与NiCl2中的至少一种；Al的前驱体为AlCl3、Al(NO3)3与Al2(SO4)3中的至少一种；La的前驱体为La(NO3)3，前驱体溶液中La、Fe、Al与Ni的前驱体的浓度为0.9～1.2mol/L；前驱体溶液中Ba、Fe、Al与Ni的前驱体的浓度为0.9～1.2mol/L。


4.一种如权利要求1所述的用于化学链燃烧和裂解的氧载体的制备方法，其特征在于，
向加热的水中，加入La、Fe、Al与Ni的前驱体，或加入Ba、Fe、Al与Ni的前驱体，混合均匀，得到前驱体溶液，将前驱体溶液加入到饱和柠檬酸溶液中，混合均匀，然后调节pH到5-8，搅拌蒸干至凝胶状态后干燥，于400～500℃下焙烧2～5h，然后在600～1000℃下煅烧2～5h，降至室温，得到用于化学链燃烧和裂解的氧载体。


5.一种如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，柠檬酸与前驱体溶液中总的阳离子的摩尔比为1.5-2.0；
Ba的前驱体为Ba(NO3)2与Ba(CH3COO)2中的至少一种；Fe的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱燕燕，程铮，任豪，闫明，杨倩，马晓迅，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61