[发明专利]一种用于热化学循环分解CO2和/或H2O的催化剂及制法和应用

说明书

一种用于热化学循环分解CO₂和/或H₂O的催化剂是金属Zr对CeO₂掺杂形成的铈锆固溶体复合金属氧化物，其化学组成通式为：Ce_1‑xZr_xO_2­，其中x=0.01‑0.99，x为掺杂金属Zr的摩尔分数。本发明具有活性高，稳定性好，制备过程温和优点。

技术领域

本发明属于一种催化剂及制备方法和应用。具体地说涉及一种用于热化学循环分解CO₂和/或H₂O的催化剂及制备方法和应用。

技术背景

人类活动消耗的化石能源造成了二氧化碳等温室气体大量排放，其产生的温室效应引起了越来越多的人的关注。我国温室气体年排放量已位居世界前列，二氧化碳的减排显得至关重要。二氧化碳也是一种廉价的碳、氧资源，对其进行化学利用有着很好的应用前景。利用太阳能等可再生能源将CO₂和/或H₂O转化成易于储存的液体燃料，不仅能解决二氧化碳对环境的影响，也能够部分缓解对化石能源的依赖。

两步热化学法循环分解CO₂/H₂O耦合了太阳能利用和液体燃料制备，成为了当前研究热点之一。该循环反应分为两步进行：首先在较高温度下(1200-1600℃)进行高价金属氧化物的热还原反应，释放出O₂；然后用还原态的氧化物在较低温度下(800-1100℃)进行CO₂/H₂O分解反应，生成CO/H₂和高价金属氧化物，高价氧化物再进行第一步反应实现反应循环。反应的方程式如下：

MO_x→MO_x-y+y/2O₂(热还原反应)

MO_x-y+y CO₂/H₂O→MO_x+yCO/H₂(CO₂和/或H₂分解反应)

目前，该循环反应的催化剂体系主要有Fe₃O₄/FeO、CeO₂/Ce₂O₃以及ZnO/Zn等。这些催化剂体系尚存在着一定的不足之处，如：ZnO/Zn虽然具有较高的太阳能到化学能的转化效率，但ZnO催化剂在高温释放O₂后成为Zn蒸汽，需要对Zn蒸汽进行骤冷，这样会导致反应过程更加复杂；Fe₃O₄/FeO分解反应温度太高，高温反应过程中会导致FeO蒸发从而被产生的氧气再次氧化，降低转化效率。因此，研究新型的高反应活性的CO₂/H₂O分解催化剂具有一定的必要性和现实意义。

CeO₂是一种可用于热化学反应的金属氧化物，循环体系不挥发，在较长的循环反应里能够保持一定的稳定性。但是CeO₂的热还原温度较高，带来了反应过程中易烧结失活的问题。有研究者发现，Zr、Ni、Fe、Mn等金属对CeO₂进行修饰可以打乱固溶体内的原子排列，进而产生氧空穴，提高材料内氧离子的流动性，同时降低热还原温度(Energy,2007,32(5):656-663)。此外，金属Zr的修饰还可以提高CeO₂的热稳定性，从而在一定程度上克服CeO₂热还原温度较高以及由此带来的材料烧结失活问题(The Journal of PhysicalChemistry C,2012,116(25):13516-13523)。