[发明专利]一种光热耦合甲醇蒸汽重整制氢复合催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种光热耦合甲醇蒸汽重整制氢复合催化剂的制备方法，该复合催化剂可在光热反应器中同时吸收炉膛加热产生的热辐射与外部氙灯辐照的紫外‑可见光，一方面利用热辐射来达到热催化所需的温度，吸附所需的甲醇与水，另一方面利用高能光子激发光生电子空穴对分离，加速反应物的氧化还原，生成更多的中间产物，在热辐射与光吸收的共同作用下催化甲醇与水进行重整反应，实现光热耦合甲醇蒸汽重整制氢。此外，制备的光热协同催化剂具有多孔结构，能够缓解长期反应中高温烧结的问题，从而提高重整制氢过程的稳定性。光热耦合甲醇蒸汽重整制氢实现了协同利用热辐射与太阳光，其性能优于单纯热辐射下的制氢反应，且能够满足长期高效的运行。

技术领域

本发明涉及一种光热耦合甲醇蒸汽重整制氢复合催化剂的制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

自上世纪以来，化石燃料的过度消耗已导致大量温室气体进入大气，而这也进一步导致了全球变暖以及全球能源危机。实现人类社会可持续发展需要平衡能源利用、经济发展和环境保护之间的关系，所以亟需探索一条既可以实现经济快速发展同时也能有效地保护环境的绿色发展途径。太阳能总量巨大,分布广泛,无需运输且用之不竭,是最重要的可再生清洁能源。但太阳能的能量密度低,其分布随时间与地点变化大,大规模应用太阳能必须进行能量转换和存储。此外，相比传统化石燃料，氢气是一种理想的高能量零污染的能源载体，如何高效清洁地生产出氢气将是未来能源研究的重中之重。光催化制氢是一种清洁低廉的制氢方式，在太阳光子的作用下，催化剂价带上的部分电子得到跃迁，跨过禁带到达导带，实现了光生载流子的分离，这部分光生电子空穴对迁移至催化剂表面与反应物发生氧化还原反应，进而产生氢气。但光催化制氢的产气速率距达成工业化的目标尚有一段距离，需要找到更高效的方法来实现利用太阳能进行催化制氢的目标。甲醇蒸汽重整(MSR)是最有效的原位制氢方法，它可以在较低的温度(低于400℃)下进行高效制氢，且已在能源工业中得到应用。然而，随着甲醇制氢工业化的推进，单纯热条件下的甲醇蒸汽重整越来越暴露出性能瓶颈及能源消耗的问题，因此这并不是一条绿色发展的途径。

发明内容

为实现既能利用太阳能又可高效催化制氢的目标，本发明提出了一种光热耦合甲醇蒸汽重整制氢复合催化剂的制备方法，该复合催化剂同时具有光催化制氢及热催化制氢的双重特性。其能够吸收紫外-可见光中的高能光子进行光生电荷分离，配合外部辐射带来所需的温度，实现光热耦合催化制氢。不断通入气态反应物，在光热反应器中可实现稳定高效制氢。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光热耦合甲醇蒸汽重整制氢复合催化剂的制备方法，该复合催化剂具有光催化制氢及热催化制氢的双重特性。该复合催化剂在紫外-可见光下具有强吸收能力，其能够吸收紫外-可见光中的高能光子并激发催化剂中光生电子空穴对分离，将其迁移至催化剂表面加速反应物的氧化还原，增加中间产物，配合外部热辐射带来的反应温度，最终在催化剂表面进行光热耦合甲醇重整制氢，实现既能利用太阳能又可高效催化制氢的目标。

一种光热耦合甲醇蒸汽重整制氢复合催化剂的制备方法，该方法采用溶胶凝胶法制备二元多孔载体TiO₂-CeO₂，采用湿浸渍法制备复合催化剂Cu/TiO₂-CeO₂。

进一步，选用钛酸四丁酯与六水合硝酸铈作为金属氧化物载体的前驱体材料，选用高分子表面活性剂作为多孔模板，采用溶胶凝胶法在酸性条件下制备多孔TiO₂-CeO₂前驱体湿凝胶，在固定温度及湿度条件下老化足够时间得到干凝胶，最终空气下煅烧得到二元多孔载体TiO₂-CeO₂。

进一步，制备二元多孔载体TiO₂-CeO₂的具体步骤为：

(1)将表面活性剂聚醚F127溶解在乙醇中，在40℃下磁力搅拌30分钟，形成第一溶液；