[发明专利]一种氧载体用于低温氧化甲烷制氢的制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种氧载体用于低温氧化甲烷制氢的制备方法及其应用，属于甲烷低温催化领域。本发明采用均匀沉淀法和高温煅烧法制备得到氧化镁；将氧化镁与铜盐混合改性，得到复合CuMgO氧载体。本发明氧载体制备方法简单、可在低温范围内使用，并且循环使用效率好。它能利用自身的晶格氧再低温下甲烷高效转化为氢气，其中氢气选择性大于97％，并且可以在二氧化碳气氛中再生。经过长时间的多次循环反应后，该氧载体依旧能将甲烷转化为氢气，保持稳定的制氢选择性。本发明提供了一种具有低成本、优异的低温催化甲烷制氢效果的氧载体。

技术领域

本发明属于甲烷低温催化领域，具体地说是一种氧载体在低温氧化甲烷制氢的制备方法与应用。

背景技术

2021年，全球天然气探明的储量达到145.6万亿立方米，天然气消费量在世界能源结构中的占比超过25％，位居前三。目前天然气作为相对清洁、高热值的能源，消费量依旧高速增长。天然气成分的80％以上都是甲烷，而甲烷分子具有高的H/C比值优势，使天然气在制氢领域受到极大的关注。氢气(H₂)是一种二次能源，地球上几乎不存在天然单质氢，氢气必须从其他能源转换。21世纪，在世界能源结构加速清洁化转型的背景下，天然气制氢技术的发展，具有显著的社会价值。

传统的天然气制氢方式中最主要是以水蒸气作为氧化剂，实现甲烷转化制氢。这个反应具有强吸热性，反应温度普遍高达900℃以上，并且有严重的二氧化碳排放。除此此外，甲烷催化裂解制氢也是一类主要方式，虽然该反应是温和的吸热反应，但产物仅为C和H₂，高温下氧载体极易失去催化效果。在过去几十年中，提升制氢效率、降低能源消耗、降低碳排放以及延长氧载体使用寿命一直是各国催化领域研究的重点，但都未能实质性地同时满足上述目的。

近年来，借助金属氧化物的晶格氧为“软”氧化剂，将甲烷转化为氢气被证明是一种绿色可行的催化方法。当氧载体的晶格氧消耗用尽后，通入二氧化碳可以实现材料的修复，使氧载体循环使用，得到高纯度的氢气。这种工艺极大地减少了资金成本，同时还能有效地减缓温室效应。因此，具有较高的研究价值。

甲烷分子具有稳定的物理化学性质，在温和条件下通常难以催化和转化。晶格氧参与的甲烷氧化制氢技术也受限于这一要素，导致这类反应目前仍然集中于高温区(800℃)的研究。但是晶格氧氧化甲烷的反应具有自放热效应，满足在低温条件下转化的潜力。

然而，为了提高氧载体的反应性能，通常选择的一些具有较高塔曼温度的氧载体(LaFeO₃、La_0.75Sr_0.25(Fe_0.8Co_0.2)_1-xGa_xO_3-σ、NiAl₂O₄)，也导致反应温度较高，并且这些氧载体的制备工艺复杂，付出的成本昂贵。此外，在评价氧载体再生效果时，现有的研究通常只是在短时间内通过改变还原-氧化性气体测试反应性能，没有考虑到氧载体的晶格氧是否完全消耗用尽。因为只有当晶格氧完全用尽后，再通入氧化性的气体使氧载体再生，才能真实反映氧载体循环使用的能力。氧载体作为整个工艺中最重要的组成部分，必须具备强的晶格氧迁移能力，优越的“循环吸氧”能力,还需要满足低温催化性能，这是甲烷清洁化、低能耗制氢技术发展的源动力。

因此，开发制备成本低廉的一种氧载体并应用于低温氧化甲烷制氢反应，对于新型的晶格氧氧化甲烷制氢技术的发展至关重要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合结构的CuMgO氧载体用于低温氧化甲烷制氢的制备方法及应用。在氧化镁的生长过程中形成六面体结构，以固定纳米铜颗粒。氧化镁是具有较高的储氧能力，棒状生长的铜具有较低的塔曼温度(405℃)。在反应温度下，复合结构可以增强晶格氧原子在平衡位置附近的振动，促进晶格氧的松动和扩散。使复合氧载体集储氧和反应性能于一体，具有极好的再生修复能力和高效的催化性能。同时，复合结构的氧载体大大降低了反应温度，使能量转换效率增强。