[发明专利]一种适于宽范围低温条件的正仲氢转化催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及一种适于宽范围低温条件的正仲氢转化催化剂及制备方法。所述催化剂为Fe原子有序掺杂的纤维磁性催化剂FeMnOx；所述催化剂的基底材料为α‑MnOsubgt;2/subgt;，所述α‑MnOsubgt;2/subgt;属四方晶系，晶胞参数为晶体结构由2×2共边的八面体链构成，XRD特征衍射峰为2θ＝12.8°、18.1°、25.7°、37.5°、49.8°、56.3°，通过BET测试法测得其比表面积为100～150msupgt;2/supgt;/g，透射电子显微镜显示其微观结构为直径2～5nm，长100nm～500nm的纤维状结构；所述催化剂用于正仲氢转化反应时，正仲氢转化效率95％以上，催化剂寿命达到1400h以上；所述宽范围低温条件为23K‑77K。Fe原子与α‑MnOsubgt;2/subgt;中晶格氧配位可以有效避免金属组分价态变化导致的催化剂失活，从而增强催化剂稳定性和寿命，适用于工业级规模化生产。

技术领域

本发明涉及化学化工及催化剂领域，尤其涉及一种用于液氢转化的正仲氢转化催化剂及制备方法。

背景技术

氢能是一种理想的清洁能源，且具有可再生、能量密度大、热值高等优点；氢能的使用和储存对于发展氢能源、运输和经济等领域都有很重要的作用。氢具有气态、液态和固态多种形态，其中液氢具有便于储存、气化时膨胀倍率大等优点，是一种重要的氢能存储方式。液氢通常被用作运载火箭的推进剂、20K温区的低温冷源，同时也是高效的液态燃料，在国防工业、航天航空等领域具有重要作用。

氢分子根据氢原子旋转方向可区分为正氢(O-H₂)和仲氢(P-H₂)两种量子自旋异构体形态，正氢中两个氢原子自旋同向，而仲氢中两个氢原子自旋反向。通常情况下，氢是正氢和仲氢的混合物，气态氢不会发生正-仲氢转化，而液态氢中正氢和仲氢混合物的平衡浓度随温度不同而变化。室温时正氢和仲氢在平衡状态下占比为3:1，即正氢75％，而仲氢25％；随着温度的降低，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，仲氢浓度不断升高；温度在77K时正氢含量为51％，仲氢含量为49％；在20.4K即液氢沸点时，仲氢含量高达99.8％。

但正仲氢自身转化时间很长，且会释放大量热量造成氢气损失。在一定条件下，可以加速实现正氢转化为仲氢，简称为氢的O-P态转化，本质是两个原子核自旋方向重组。目前，使仲氢与正氢相互转化的方法有中子撞击法、激光照射法、催化剂法等。

催化剂法主要基于正氢和仲氢之间相互转化的磁性机理。磁性理论的本质是磁性催化剂磁性中心和两个自旋的氢原子核之间存在着非零磁矩的相互作用，加快了氢分子的自旋转化过程，磁性催化剂的非均匀磁场使氢分子中原子核自旋取向发生改变。假设一个强度分布极不均匀磁场中，氢的两个原子核分布在不同磁场强度环境中，在磁场作用下，两个原子核自旋方向改变，实现正、仲氢的相互转换。

常用的正仲氢转换催化剂有活性炭、铬铝合金、镍铬合金、Fe₂O₃·3H₂O、Cr₂O₃、Apachi、Houdry、Fe(OH)₃、Cr(OH)₃、Mn(OH)₄、镍、铬、锰等。

CN112044457A公开了一种负载型正仲氢转化催化剂及其制备方法，特别涉及通过在非金属修饰的多孔载体表面负载金属活性物质的负载型正仲氢转化催化剂的制备方法。此发明关于负载型催化剂的制备方法过程简单，所制备的负载型催化剂强度较高且颗粒均匀，有效降低了催化剂床层流阻，使得催化剂活性相比于传统水合氧化铁催化剂有显著提高。但发明催化剂易发生由于活性金属组分价态变化造成稳定性下降的问题。