[发明专利]一种高比表面积金属氧化物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高比表面积金属氧化物及其制备方法和应用。该高比表面积金属氧化物的制备包括：(1)将可溶性金属盐与水混合得到溶液A；(2)将沉淀剂与水混合得到溶液B；(3)将溶液A与溶液B混合，搅拌均匀后得到悬浊液C；将悬浊液C在常压下，加热至60～150℃下进行反应，再经后处理得到。该制备方法的反应条件温和，常压下即可进行；制备工艺简便，无需加入模板剂亦无需进行高温煅烧处理。制备得到的金属氧化物具有高比表面积，以其为载体负载活性金属制备得到的催化剂尤其在甲醇蒸汽重整制氢反应中具有优异的催化活性；更为重要的是，该催化剂还可用于热催化水分解制氢反应，使得水的直接热分解在较低温度下成为可能。

技术领域

本发明涉及催化剂的技术领域，尤其涉及一种高比表面积金属氧化物及其制备方法和在甲醇蒸汽重整制氢反应以及热催化水分解制氢反应中的应用。

背景技术

随着各国的能源结构向低碳化、无碳化与清洁化的方向转变。氢能将成为应对气候变化、能源结构转型与保障能源供应安全的综合解决方案。然而，高纯氢气高效制备技术的开发是实现全球能源转型和应对气候变化的重大突破口。

目前清洁氢能的主要问题是实现高纯氢气的高效制备。氢气的大规模工业制备通常由天然气蒸汽重整和煤气化两种策略实现，但上述方法均存在原料不可再生、能耗高、污染重、工艺流程长且投资规模大等诸多缺点。一些直接或间接利用可再生资源或能源的新兴制氢技术，如生物质气化制氢、电解水制氢等，仍处于发展初期，无法满足大规模产氢的需求。

以自然界中大量存在的水为原料，将其分解成氢气和氧气，是可再生能源储存最具吸引力的方法之一，因为它具有环保、取之不尽、用之不竭的特点。直接分解水的吉布斯自由能变化高达+237kJ/mol。因此，以往的研究主要集中在电化学或光化学水解离系统的开发上。在电或光的驱动下，水分子可以通过多电子转移过程(如电子/空穴对分离、质子/电子耦合等)克服水裂解反应的活化能。而水的直接热分解，由于需要超过2500K的苛刻热力学要求，通常认为是不可行的(Science,1977,197,1050-1056)。

研究人员曾致力于利用金属氧化物作为促进剂，通过多步热循环实现热化学分解水。例如，在传统的两步变温水裂解中，金属氧化物在高温(1500℃)下热还原，释放O₂，然后还原的氧化物在800～1000℃下被水蒸汽氧化，产生H₂(ACS Appl.Mater.Interfaces,2020,12,21521-21527)。然而，尽管简化了分离过程，但由于还原和氧化过程温度波动较大，导致热力学效率低下，限制了其实际应用。尽管在350℃左右的一些特殊热过程中，如甲醇蒸汽重整和水煤气变换反应，H₂O参与了反应，并作为氢源催化转化为氢气(Science2017,357,389-393；J.Am.Chem.Soc.2011,133,2378-2381)。据我们所知，到目前为止，在相对较低的温度(200～300℃)下直接热化学分解水制备氢燃料仍然是一个巨大的挑战，对水热分解催化体系的系统研究还有待进行。同时，若将热分解水制氢与核反应堆循环水的废热作为热源供热相结合，热分解水制氢的成本将会大幅降低，这将是直接热化学分解水制氢的一个重要潜在工业应用场景。

此外，甲醇具有价廉易得、能量密度高，碳含量低，以及运输和贮存方便等优势，被誉为是最有希望的高携能燃料；其转化制氢方式主要包括甲醇分解制氢、甲醇部分氧化制氢和甲醇蒸汽重整(MSR)制氢三种，其中甲醇蒸汽重整制氢是转化气中氢含量最高的反应，具有成本低、条件温和、产物成分少以及易分离等优点。