[发明专利]一种支链烷烃重整光热催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光热催化支链烷烃重整制合成气（H₂、CO）技术领域，公开了一种Rh负载缺陷态TiO₂‑x光热催化支链烷烃重整制合成气的方法，具体涉Rh负载缺陷态TiO_2‑x光热催化支链烷烃重整制合成气的方法。在不同温度下采用氢气还原Rh NPs负载的TiO₂载体，引入不同浓度的氧空位到TiO₂载体获得缺陷态Rh/TiO₂，使其光学性质得以调控，进而调控其光热催化活性。然后将所得催化剂内置于自主设计反应装置中，在全波段氙灯灯光激发下达到高效光热催化支链烷烃重整制合成气（H₂、CO）的目的。本催化剂材料制备简单、处理性能优异，且反应条件相对温和，具有显著的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于光热催化支链烷烃重整制合成气(H₂、CO)技术领域，具体涉及支链烷烃重整光热催化剂制备方法及其应用。

背景技术

甲烷是天然气和沼气的主要成分，随着全球原油和煤炭资源消耗量逐年增加，甲烷作为高价值化学品的生产原料替补和高级燃料的新来源，受到广泛关注。特别是最近全球探测到大量的页岩气、甲烷水合物和煤层气资源，这为全球减少对原油和煤炭资源的依赖提供了可能性。根据《BP世界能源统计》数据，2017年全球已发现天然气储量总和高达36804亿立方米。但是甲烷资源开采区大多位置偏远，如果运输到工业区就必须将甲烷进行液化储存，这不仅大大增加了甲烷利用的经济成本，也增加了甲烷利用的技术难度。因此，将甲烷在开采区直接转化为高附加值化学品的工业生产技术成为了科研工作者们研究的热点。

支链烷烃重整反应不仅利用了CH₄，还利用了温室气体CO₂，在减轻温室效应和保护环境方面有不可估量的价值，而且反应产生的合成气(CO和H₂)可用于F-T合成优质长链烃或者直接用作羰基化合成的原料气，实现了太阳能到化学能的转化，具有巨大的经济效益，将引发传统能源化工行业原料来源的变革，形成低碳绿色产业的新增长点。

太阳能是最丰富的可再生能源，因此利用半导体和/或等离激元金属纳米结构在温和条件下采用光催化手段驱动甲烷转化技术具有广阔的应用前景。甲烷重整催化剂的研究主要集中在负载型第VII族过渡金属催化剂,活性组分主要包括贵金属Pt/Pd/Rh/Ru/Ir)和非贵金属(Fe/Co/Ni/Cu)。甲烷二氧化碳重整反应活性主要由反应条件和催化剂性质决定，催化剂对重整反应的活性由载体、活性金属，载体与活性金属之间的相互作用等因素决定。与其他过渡金属相比，铑具有较好的反应活性，抗积碳能力和化学稳定性。TiO₂是常见的n型半导体，具有廉价，无毒性的优点，常作为光催化剂的载体。但由于TiO₂带隙较宽(3.2eV)，它只能被波长小于387.5nm的紫外光激发且光生电子-空穴对的复合率较高。因此，在TiO₂晶格中引入缺陷例如氧空位就成为了一个更有前景的改性方法。缺陷位引入可以调变TiO₂能带结构，这增强了TiO₂可见光吸收能力，光吸收能力增强可以激发产生更多光生载流子，而适量的缺陷会引入中间态Ti³⁺，该中间态可以作为光生载流子捕获中心从而降低光生电子-空穴复合概率。黑色TiO₂纳米颗粒与普通的TiO₂相比，黑色TiO₂纳米颗粒对太阳光吸收能力增强，光催化性能更高。已有多种方法被开发出用于合成不同尺寸，形状和形态的黑色TiO₂纳米材料，例如作为氢气热处理，化学还原法，化学氧化和电化学还原法。

因此我们将RhNPs负载载体TiO₂并通过氢气还原引入氧空位对其进行改性用于光热催化支链烷烃重整反应。光热催化是一种有着广阔应用前景的催化方式，光场和热场协同促进CH₄和CO₂分子的活化，比光催化具有更高的催化活性，比热催化反应具有更低温度。

发明内容