[发明专利]一种耐高温氧载体和制备及其应用

说明书

本发明涉及一种新型的耐高温氧载体、制备方法及其应用，该氧载体主要成分为石榴石结构，化学计量比为Y₃Fe_xAl_5‑xO₁₂，其中x的范围为0x≤5，理论储氧能力为0‑10.15mmol/g。该氧载体具体采用溶胶凝胶法制备，然后再经过高温焙烧得到，并首次用于实际的甲烷化学链部分氧化制合成气试验中，表现出较高的活性及CO选择性，通过20次循环测试性能基本稳定。由于具有优异的储氧能力，本发明中的Y₃Fe_xAl_5‑xO₁₂耐高温氧载体还适用于催化分解凝胶DT‑3推进剂，能够实现发动机的稳定点火。该高温氧载体制备工艺相对简单，材料成本低廉，易于大规模生产，性能优异，具有较好的应用潜力。

技术领域

本发明涉及到新型的耐高温氧载体、制备方法，以及其在甲烷化学链转化领域及凝胶DT-3推进剂催化分解中的应用。

背景技术

新型耐高温氧载体不仅在航空航天领域中极端条件下具有重要的应用背景，同时在甲烷高温转化利用方向也拥有较好的发展前景。

甲烷作为页岩气和天然气的主要成分，是一种重要的化石能源和工业原料，近年来随着页岩气革命和天然气勘探技术的发展，甲烷将在今后能源消耗格局中占据更重要的地位，因此甲烷的转化利用得到了研究者的广泛关注。

在化工产业中，合成气是一种重要的中间原料，可用于后续的甲醇合成，费托转化等领域。目前工业上主要采用甲烷蒸汽重整制备合成气，此过程是放热反应，设备投资和能量消耗巨大，同时伴随大量碳排放，面临成本和环境的双重压力。甲烷部分氧化制合成气由于过程放热，反应不受热力学限制等特点受到人们的关注，然而此工艺采用氧气与甲烷混合进料，存在爆炸的安全隐患，原料氧来源于空气分离设备，进一步增加了成本。为了解决这个问题，研究者提出了甲烷化学链循环制合成气的新技术，在该工艺中，甲烷首先与含氧载体反应生成CO和H₂，接着被还原的氧载体与空气反应恢复至初始状态，从而实现一个循环，该技术避免了爆炸风险和空气分离操作，减少了能量消耗与运行成本，是一种具有应用前景的新型工艺。

化学链循环制合成气的关键在于开发高活性，高选择性和稳定性氧载体，铁基氧载体由于低成本和高出氧量受到了最广泛的关注，常见的Fe₂O₃对合成气具有较低选择性，将Fe₂O₃分散到合适载体上可以明显提高选择性，另一种途径是将Fe分散到晶格之中形成复合氧化物(例如钙钛矿)，此方法能够提高合成气选择性，而甲烷转化率有待提高。因此开发具有高合成气选择性与甲烷转化率的高温稳定氧载体是目前需要研究解决的问题。

石榴石结构化合物由于其较好的高温稳定性在航空航天领域热障涂层中受到了广泛关注，是一种优异的耐热材料。石榴石属于立方晶系，结构由氧离子堆积而成，金属离子占据氧的间隙，其化学式为Y₃Al₅O₁₂，通过Fe掺杂可以得到具有储氧能力的氧载体，而目前石榴石氧载体在化学链循环制合成气的应用中还未见报道，因此我们首次将这种耐高温的石榴石氧载体应用于此反应中，甲烷转化率和合成气选择性明显提高，经过多次测试性能基本保持稳定，该工作证实了石榴石氧载体的应用可行性，具备较好的发展潜力。

推进剂是火箭发动机产生推力的能量来源，会直接影响到飞行器的飞行性能，对于火箭发动机是十分重要的。传统上，推进剂可分为固体推进剂和液体推进剂。固体推进剂和液体推进剂各有优缺点并不能完全满足对于推进剂的安全性与高效性的要求。凝胶推进剂是将少量的胶凝剂加入到液体推进剂里面从而使液体推进剂凝胶化为新的结构凝胶推进剂是一种新型的火箭发动机推进剂，由于兼具固体推进剂和液体推进剂的优点，从而在未来的航空航天领域有很好的发展及应用前景。本发明首次将具有石榴石结构，化学计量比为Y₃Fe_xAl_5-xO₁₂的新型高温氧载体应用于凝胶DT-3推进剂催化分解，实现了发动机的稳定点火。