一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料及其制备方法与应用

本发明属于碳捕集原位转化，尤其涉及一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着全球工业化的快速推进，化石燃料消耗急剧增加，导致温室气体二氧化碳过量排放，引发温室效应和海洋酸化等环境问题。日益严重的环境问题使得co2捕集与利用成为讨论的重点领域。传统的co2捕集和转化技术产业多呈现分散式排布，存在着co2输运成本高、再生和转化能耗高等问题。为降低碳捕集与利用的成本与能耗，碳捕集与原位转化技术应运而生。该技术利用双功能材料实现在仅调节反应气氛的情况下实现co2捕集与原位转化，减少压缩运输成本及相应设备，具备更高的环境和经济可行性。

2、通过逆水煤气转换反应(即rwgs反应)可以将从烟气中捕集的co2转化为co，同时通过调控h2浓度得到的不同co：h2比例的合成气可以作为费-托反应的原料，进一步转化为高附加值的化工产品。

3、逆水煤气转换反应通常在较高的反应温度下进行，与氧化钙吸附碳捕集具有很好的适配性。氧化钙来源丰富、成本低廉，具有快速的吸附动力学和较高的碳捕集能力。但由于碳酸钙的活化温度较高，单独使用氧化钙进行原位捕集转化的能耗较高且产物产率较低。因此需要筛选出高温还原气氛下活性稳定的催化组分促进碳酸盐活化，制备高效双功能材料，提升原位捕集转化效率并降低反应能耗。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供了一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料及其制备方法与应用，以解决使用氧化钙进行原位捕集转化时能耗较高且产物产率较低的问题。

2、技术实现要素：为实现以上目的，本发明提供了一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料的制备方法，所述制备方法包括：

3、将铈盐与铁酸镍分散在溶剂中，混合均匀后高温加热至固态，所得的氧化铈-铁酸镍与氢氧化钙研磨混合并高温煅烧，经还原后得到双功能材料，所述双功能材料的组成为ceo2-nife-cao，其中cao与ceo2-nife的质量比为4：1至19：1。

4、一般情况下，最终制得的ceo2-nife-cao双功能材料为灰色固体。

5、相较于单一组分催化剂，复合材料催化组分往往拥有更加优异的co2加氢反应活性与稳定性。fe基催化剂由于具有优秀的氧迁移率而在催化rwgs反应中显示出巨大的潜力。然而在co2加氢过程中，fe基催化剂可能出现积碳，使h2和co2的吸附及活化受到阻碍，导致催化剂失活，因此需要通过调节催化剂结构、引入其他物质等方式来提高fe基催化剂的高温co2加氢稳定性。ni因为具有优异的h2活化性能，可以有效降低rwgs反应所需温度，因此被广泛用于co2加氢反应的研究。相比于单一的fe、ni金属，fe-ni合金具有更高的金属分散度、更小的颗粒尺寸、更强的金属-载体相互作用和电子更丰富的ni状态，有助于co2的吸附和转化，可以有效提高rwgs反应表现。氧化铈具有优秀的氧交换能力和抗烧结性能，其内部氧化态ce3+和ce4+离子都可以稳定存在且可以相互转换，使ceo2能够释放或吸收o原子，常被用于催化逆水煤气变换反应。因此，引入ceo2对fe-ni合金进行改性，采用铁镍合金-氧化铈载体复合材料作为催化组分可以有效提升iccc-rwgs工艺的原位捕集-转化性能与循环反应稳定性。

6、可选的，所述铈盐为六水合硝酸铈。选择硝酸铈的原因是利用该前驱体形成的氧化铈-铁酸镍具有最佳的催化性能。

7、可选的，所述溶剂作为分散剂，可以选择甲醇、乙醇和丙醇中的一种。

8、可选的，所述铈盐与铁酸镍在溶剂中混合均匀后在300-500℃下搅拌加热至固态。

9、限定加热温度的作用是确保铈盐充分热解并保持较小的ceo2颗粒尺寸。当加热温度过高时，导致的不利影响是形成的ceo2载体颗粒粒径过大，影响ceo2载体的负载效果；当加热温度过低时，导致的不利影响是铈盐前驱体无法充分热解。

10、可选的，所述氧化铈-铁酸镍与氢氧化钙的质量比为0.036g:1g至0.144g:1g。

11、限定该质量比的目的是控制催化组分与氧化钙之间的界面效应以及框架支撑作用。该比例过小时，过多的氧化钙在高温下易团聚烧结，引起双功能材料失活；比例过大时，容易导致吸附容量下降。

12、可选的，所述煅烧的温度为500-700℃，时间为8-15min，且煅烧气氛为体积占比在99％以上的n2。

13、限定煅烧温度和时间的作用是确保氢氧化钙热解形成氧化钙并保持催化组分颗粒分散。当煅烧温度过高或时间过长时，导致的不利影响是氧化钙与氧化铈-铁酸镍复合材料团聚烧结，导致活性位点被覆盖，进而影响吸附-催化组分界面效应的成型，从而影响双功能材料的捕集转化性能；当煅烧温度过低或时间过短时，导致的不利影响是氢氧化钙不能充分热解为氧化钙，引起co2吸附容量下降。

14、可选的，所述还原的温度为500-700℃，时间为8-15min，且还原气氛为体积比为10％:90％的h2/n2。

15、限定还原温度和时间的作用是确保前驱体nife2o4充分还原为活性态的fe-ni合金并保持催化组分颗粒分散。当预还原温度过高或时间过长时，导致的不利影响是氧化钙与氧化铈-铁酸镍复合材料团聚烧结；当预还原温度过低或时间过短时，合成过程nife2o4前驱体无法有效还原为活性态的fe-ni合金，降低催化组分的co2加氢转化活性。

16、此外，采用上述方法制备的高效双功能材料应用于原位co2捕集转化反应中，具体为集成co2捕集与逆水煤气转换反应中，实现高效捕集co2并原位加氢转化制co。

17、有益效果：本发明所提供的一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料及其制备方法与应用，与现有技术相比，具有如下优点：

18、本发明将铈盐、铁酸镍分散在乙醇中，充分混合加热后，制备所得氧化铈-铁酸镍与氢氧化钙研磨混合，再经高温煅烧并还原得到组分为ceo2-nife-cao的双功能材料，通过氧化钙与氧化铈-铁镍合金的协同效应，实现高温条件下高效稳定促进碳酸盐活化以及催化碳酸盐加氢制co。

19、本发明所制备的双功能材料具有较高的co2吸附容量与产物产率，从而实现高效捕集co2并将其原位转化为具有高附加值的co，节省了吸附剂再生能耗与co2压缩运输成本，推进了二氧化碳减排和经济化利用。此外，本发明所提供的制备方法工艺简单，易于操作，原料广泛，成本较低。

技术特征：

1.一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铈盐为六水合硝酸铈。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铈盐与铁酸镍在溶剂中混合均匀后在300-500℃下搅拌加热至固态。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铈-铁酸镍与氢氧化钙的质量体积比为0.036g:1g至0.144g:1g。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为500-700℃，时间为8-15min，且煅烧气氛为99％以上的n2。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原的温度为500-700℃，时间为8-15min，且还原气氛为10％:90％的h2/n2。

8.一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。

9.一种如权利要求8所述高效双功能材料的应用，其特征在于，所述高效双功能材料应用于原位co2捕集转化反应中，具体为集成co2捕集与逆水煤气转换反应中。

技术总结本发明公开了一种实现碳捕集与原位转化的高效双功能材料及其制备方法与应用，所述制备方法包括：将铈盐与铁酸镍分散在溶剂中，混合均匀后高温加热至固态，所得的氧化铈‑铁酸镍与氢氧化钙研磨混合并高温煅烧，经还原后得到双功能材料，所述双功能材料的组成为CeO<subgt;2</subgt;‑NiFe‑CaO，其中CaO与CeO<subgt;2</subgt;‑NiFe的质量比为4：1至19：1。本发明所制备的双功能材料具有较高的CO<subgt;2</subgt;吸附容量与产物产率，从而实现高效捕集CO<subgt;2</subgt;并将其原位转化为具有高附加值的CO，节省了吸附剂再生能耗与CO<subgt;2</subgt;压缩运输成本，推进了二氧化碳减排和经济化利用。技术研发人员：张立麒,樊昱,鲁博文,支昕宇受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10