CN106542964A - 利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂，本发明的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其特征在于包括以下步骤：A、准备容器，向容器中加水，容器内的水中设有催化剂，催化剂为钍元素的化合物；B、将二氧化碳气体通入容器内的水中，并用光照射化合反应器中的二氧化碳气体和水，在催化剂的催化作用下，容器内的二氧化碳与水发生光化学反应，生成甲醇。其目的是提供一种可在常温常压条件下利用光能将二氧化碳气体制成甲醇，并且其制造工艺简单，生产成本低，转化效率高，转化速度快的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂。

Description

利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂
技术领域
本发明涉及一种利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂。
背景技术
目前，二氧化碳过量排放导致的雾霾和温室效应已对全人类的生存环境产生巨大的影响，甚至威胁到人类和自然界万物的生存和发展。2015年12月12日第21届联合国气候变化大会(巴黎气候变化大会)通过全球气候变化新协定。《巴黎协定》指出，世界各国将加强对气候变化威胁的全球应对，把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2摄氏度之内，并为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。全球将尽快实现温室气体排放达峰，本世纪下半叶实现温室气体净零排放。如何有效减少二氧化碳温室气体的排放，已经成为全球治理的一个重要领域。世界各国已经联合起来探索未来全球治理模式，推动人类建设命运共同体，创造一个各尽所能、合作共赢的未来。基于以上原因，如何减少二氧化碳温室气体的排放和综合利用二个方面研究已成为当今世界最前沿的科研领域，尤其是在二氧化碳温室气体与水常温常压光催化合成甲醇研究方面备受世人关注。德国，美国，欧盟等投入巨大的人力，物力和数千亿美元以上的财力，在减少二氧化碳温室气体的排放替代化石能源新材料研究和二氧化碳温室气体综合利用二个方面取得了许多成果。经过几十年的发展，近期德国，美国，欧盟都宣布他们在二氧化碳气体与水合成甲醇研究方面取得了重大进展，已建立了批量生产的工业化试验装置，德国奥迪公司和美国福特公司已开始在新开发的新型能源汽车上投入试用。这个生产过程分二步进行，第一步是在高温高压和贵金属存在的情况下进行，需要先把水电解制成氢气，需要消耗大量的电能，第二步是在高温高压条件下二氧化碳与氢气在催化剂存在的条件下合成甲醇。这种生产方式生产成本过高，以致短时间内内很难大规模推广使用。众多的科学家已经在实验室利用TiO2基光催化剂及改性催化剂在太阳光的作用下将二氧化碳和水还原成为甲醇，这些成果已充分证明二氧化碳和水通过光合作用合成甲醇是切实可行的。但是截止目前为止，此项研究仅停留在实验室阶段，世界上还没有一家在低能耗二氧化碳温室气体与水常温常压光催化一步法合成甲醇方面投入到工业化生产成功的范例。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在常温常压条件下利用光能将二氧化碳气体制成甲醇，并且其制造工艺简单，生产成本低，转化效率高，转化速度快的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂。
本发明的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其包括以下步骤：
A、准备容器，向容器中加水，容器内的水中设有催化剂，催化剂为钍元素的化合物；
B、将二氧化碳气体通入容器内的水中，并用光照射化合反应器中的二氧化碳气体和水，在催化剂的催化作用下，容器内的二氧化碳与水发生光化学反应，生成甲醇。
进一步地，所述步骤A中的钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍，氧化钍和硅酸钍呈固态设置在容器内的水中，硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍溶解在容器内的水中。
进一步地，所述步骤A中的容器为无压透光容器，所述步骤B中的光为太阳光或灯光，所述二氧化碳与水发生光化学反应的时间为3小时—5小时，二氧化碳与水发生光化学反应的温度为10℃—50℃。
进一步地，所述容器内的水中插有多个活性炭制成的中空的碳棒，每个碳棒的一端分别与二氧化碳输气管的出气口相连，每个二氧化碳输气管的进气口与二氧化碳供气源的出口相连，所述氧化钍和硅酸钍呈颗粒状附着在碳棒上，所述二氧化碳气体通过碳棒内的中心通道沿碳棒侧壁上微孔以气雾状喷出并进入容器内的水中。
进一步地，所述步骤B还包括将生成的甲醇通过蒸馏提纯获得甲醇浓度为99.99％的甲醇产品。
利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法的催化剂，所述催化剂为钍元素的化合物。
进一步地，所述钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍。
将钍元素的化合物用作利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的催化剂。
进一步地，所述钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍。
本发明的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法及催化剂，是在设置有为钍元素的化合物的容器中加入水，将二氧化碳气体通入容器的水中，并用光照射容器中的二氧化碳气体和水的混合溶液，在钍元素的化合物的催化作用下，二氧化碳与水发生一系列光化学反应，生成甲醇。本发明可在常温常压条件下利用光能将二氧化碳气体制成甲醇，并且其制造工艺简单，生产成本低，转化效率高，转化速度快，可在常温常压条件下实现30-40％的高转化率，以替代石油，把二氧化碳温室气体变废为宝，转化为世界各国公认的绿色环保新能源甲醇，甲醇是目前世界上最重要的基础化工原材料，是世界公认的石油替代燃料。因此，本发明的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其包括以下步骤：
A、准备容器，向容器中加水，容器内的水中设有催化剂，催化剂为钍元素的化合物；
B、将二氧化碳气体通入容器内的水中，并用光照射化合反应器中的二氧化碳气体和水，在催化剂的催化作用下，容器内的二氧化碳与水发生光化学反应，生成甲醇。
作为本发明的进一步改进，上述步骤A中的钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍，氧化钍、硅酸钍和磷酸钍呈固态设置在容器内的水中，硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍溶解在容器内的水中。
作为本发明的进一步改进，上述步骤A中的容器为无压透光容器，所述步骤B中的光为太阳光或灯光，所述二氧化碳与水发生光化学反应的时间为3小时—5小时，二氧化碳与水发生光化学反应的温度为10℃—50℃。
作为本发明的进一步改进，上述容器内的水中插有多个活性炭制成的中空的碳棒，每个碳棒的一端分别与二氧化碳输气管的出气口相连，每个二氧化碳输气管的进气口与二氧化碳供气源的出口相连，所述氧化钍和硅酸钍呈颗粒状附着在碳棒上，所述二氧化碳气体通过碳棒内的中心通道沿碳棒侧壁上微孔以气雾状喷出并进入容器内的水中。
作为本发明的进一步改进，上述步骤B还包括将生成的甲醇通过蒸馏提纯，获得甲醇浓度为99.99％的甲醇产品。
利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法的催化剂，所述催化剂为钍元素的化合物。
作为本发明的进一步改进，上述钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍。
将钍元素的化合物用作利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的催化剂。
作为本发明的进一步改进，上述钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍。
本发明是在设置有氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍的化合反应器中加入水，将二氧化碳气体通入化合反应器的水中，并用可见光照射化合反应器中的二氧化碳气体和水的混合溶液，在氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍的催化作用下，二氧化碳与水发生一系列光化学反应，生成甲醇。
在以上的光催化化学反应中，氢原子与氧原子的产生，在单纯的光合作用条件下无法实现，但借助氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍的催化条件可以实现这一方法。原子氢、原子氧的存在，二氧化碳与水合成甲醇、烷基烃属类化合瞬间立刻完成。
本发明的化学反应式如下：
CO2+3H2O→CH3OH+H2+2O2
本发明在常温常压条件下可实现30-40％的高转化率，制成高纯度的甲醇合成燃料以替代石油，把二氧化碳温室气体变废为宝，转化为世界各国公认的绿色环保新能源甲醇，甲醇是目前世界上最重要的基础化工原材料，是世界公认的石油替代燃料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其特征在于包括以下步骤：
A、准备容器，向容器中加水，容器内的水中设有催化剂，催化剂为钍元素的化合物；
B、将二氧化碳气体通入容器内的水中，并用光照射化合反应器中的二氧化碳气体和水，在催化剂的催化作用下，容器内的二氧化碳与水发生光化学反应，生成甲醇。
2.根据权利要求1所述的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其特征在于：所述步骤A中的钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍，氧化钍和/或硅酸钍和/或磷酸钍呈固态设置在容器内的水中，硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍溶解在容器内的水中。
3.根据权利要求2所述的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其特征在于：所述步骤A中的容器为无压透光容器，所述步骤B中的光为太阳光或灯光，所述二氧化碳与水发生光化学反应的时间为3小时—5小时，二氧化碳与水发生光化学反应的温度为10℃—50℃。
4.根据权利要求3所述的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其特征在于：所述容器内的水中插有多个活性炭制成的中空的碳棒，每个碳棒的一端分别与二氧化碳输气管的出气口相连，每个二氧化碳输气管的进气口与二氧化碳供气源的出口相连，所述氧化钍和硅酸钍呈颗粒状附着在碳棒上，所述二氧化碳气体通过碳棒内的中心通道沿碳棒侧壁上微孔以气雾状喷出并进入容器内的水中。
5.根据权利要求4所述的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法，其特征在于：所述步骤B还包括将生成的甲醇通过蒸馏提纯获得甲醇浓度为99.99％的甲醇产品。
6.利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法的催化剂，其特征在于：所述催化剂为钍元素的化合物。
7.根据权利要求6所述的利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的方法的催化剂，其特征在于：所述钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍。
8.将钍元素的化合物用作利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的催化剂。
9.根据权利要求6所述的将钍元素的化合物用作利用二氧化碳与水光催化合成甲醇的催化剂，其特征在于：所述钍元素的化合物为氧化钍和/或硅酸钍和/或硝酸钍和/或硫酸钍和/或四氯化钍和/或磷酸钍。
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