[发明专利]用于将二氧化碳还原成甲醇的催化剂

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月4日提交的美国临时专利申请序列号61/464,482的权益，该申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在美国能源部授予的资助号DE-AC02-76SF00515下进行的。美国政府对于本发明拥有某些权利。

技术领域

本发明一般而言涉及甲醇生产，并且更具体地涉及用于甲醇生产的催化剂。

背景技术

自然光化学地将CO₂还原以储存能量，并且在现代化学中，设计方法和催化剂来做这件事仍是很大的挑战之一。这种方法的初始阶段可包括通过利用来自光伏电池或风力涡轮机的电能的光电化学过程或电化学过程产生分子氢。如果该初始阶段之后是多相催化过程以将CO₂还原成甲醇，那么已建立可持续的液体燃料源。虽然某些铜型（Cu基）催化剂目前用于工业、基于烃的过程，但是这些催化剂可能不适合用于将CO₂还原成甲醇，具体地，如果该还原以较小规模、在分散的设备中完成。特别是，铜型催化剂会遭受复杂的合成以及基本上不可逆转的钝化。

针对该背景，需要开发本文所述的催化剂和相关系统以及方法。

发明内容

本发明的一方面涉及用于甲醇生产的催化组合物。在一个实施方式中，组合物包括至少两种不同金属M和M’的合金，其中，M选自Ni、Pd、Ir和Ru，和M’选自Ga、Zn和Al。M与M’的摩尔比在范围1:10到10:1中，并且该合金配置以将CO₂催化还原成甲醇。

本发明的另一方面涉及用于甲醇生产的方法。在一个实施方式中，该方法包括：(a)提供包括至少两种不同金属M和M’的催化剂，其中，M选自8族的过渡金属、9族的过渡金属和10族的过渡金属，和M’选自4族的过渡金属、12族的过渡金属以及13族的后过渡金属(post-transition metal)；和(b)将含有CO₂的进料流和催化剂接触。

也考虑本发明的其他方面和实施方式。上述发明内容和下面的详细描述并非意欲将本发明限于任何具体的实施方式，而是仅仅是为了描述本发明的一些实施方式。

附图说明

为了更好地理解本发明的一些实施方式的性质和目标，应参考连同附图选择的下列详细描述。

图1：根据本发明的实施方式执行的用于甲醇生产的系统。

图2和3：用于合成甲醇的理论活火山(volcano)。转换频率(TOF)作图作为碳和氧结合能(ΔE_C和ΔE_O)的函数。图2描述了所选的过渡金属的台阶状211表面的ΔE_C和ΔE_O。图3描述了二元合金的ΔE_C和ΔE_O。

图4：a)在大气压下，与Cu/ZnO/Al₂O₃比较，一系列Ni_aGa_b催化剂对于甲醇的活性作为温度的函数。气体组成：75%H₂和25%CO₂。气时空速(GHSV)=6000s^-1。b)以%表示对甲醇的选择性作为温度的函数。

图5：(上面)Ni₅Ga₃和NiGa的透射电子显微镜图像。(下面)Ni₃Ga、NiGa和Ni₅Ga₃合金的原位X射线衍射谱。

图6：随生产(on stream)的时间Ni₅Ga₃的钝化和再活化。

图7：在1巴和5巴，Ni₅Ga₃和Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂的活性。

图8：在不同的气体组成时,Ni_aGa_b催化剂的活性。