CN108483394B - 一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法 - Google Patents

一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，具体是用储氢材料实现对二氧化碳的加氢制醇，具体步骤为：步骤一、将镁粉和二氧化钛粉末置于球磨罐中，再加入氧化锆磨球为研磨介质，通入氩气在氩气气氛下球磨活化；步骤二、球磨结束后关闭氩气，打开球磨罐，以铜球和铁球替换部分氧化锆磨球，再通入氢气，在氢气气氛下球磨得到储存有氢气的储氢材料；步骤三、储存有氢气的储氢材料放入反应容器中，通入二氧化碳，二氧化碳与储氢材料中的氢气反应生成低碳醇。本发明加氢方法的储氢材料原料成本低、反应活性高、使用条件温和以及低碳醇的选择性高。

Description

一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法
技术领域
本发明涉及一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法。
背景技术
二氧化碳引起的环境污染和气候变暖是全球性的急需解决的重要问题之一，将二氧化碳加氢以制备低碳醇（C2~C6的醇类化合物）是近年来的研究热点。低碳醇的辛烷值较高，与汽油有良好的掺混性能，是一类清洁汽油添加剂。将二氧化碳转化为低碳醇，既能有效减低二氧化碳的排放，缓解全球温室效应，又能为解决能源危机提供切实可行的办法，实现二氧化碳的再利用。
现有的二氧化碳催化加氢催化剂大致可以分为铜基催化剂、贵金属负载催化剂和铬锌催化剂等其他类别催化剂，催化剂组成主要是活性组分（一般为过渡金属Cu、Mo、Rh、Ru等），载体（SiO2、TiO2等）和助剂（Fe、Co、Ce、V等），这类催化剂的反应温度通常在250~300℃，需求的氢气压强在2~3MPa，反应温度较高，需求的氢气压较大，催化剂的反应活性低，反应条件苛刻，利用此类二氧化碳催化加氢的催化剂生成的低碳醇的选择性也相对较差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，具体是用储氢材料实现对二氧化碳的加氢制醇，该加氢方法的储氢材料的原料成本低、反应活性高、使用条件温和以及低碳醇的选择性高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一、将镁粉和二氧化钛粉末置于球磨罐中，再加入氧化锆磨球为研磨介质，通入氩气在氩气气氛下球磨活化；
步骤二、球磨结束后关闭氩气，打开球磨罐，以铜球和铁球替换部分氧化锆磨球，再通入氢气，在氢气气氛下球磨得到储存有氢气的储氢材料；
步骤三、将步骤二所得储存有氢气的储氢材料放入反应容器中，通入二氧化碳，反应容器加热至200~300℃，二氧化碳与储氢材料中的氢气反应生成低碳醇。
进一步的，步骤一中镁粉和二氧化钛的质量百分比为7:3~8:2。
进一步的，步骤一中的氧化锆磨球包括直径分别为3mm、6mm、10mm和20mm氧化锆磨球，所述直径为3mm、6mm、10mm和20mm氧化锆磨球的个数分别为1000、300、30和2。
进一步的，步骤二中，将1000个直径3mm的氧化锆磨球替换为1000个直径为3mm的铜球，将15~30个直径10mm的氧化锆磨球替换为15~30个直径为10mm的铁球。
进一步的，步骤一中通氩气进行球磨活化的时间为0.5~1h。
进一步的，步骤二中球磨罐中的氢气压强为1~2MPa。
进一步的，所述反应容器为连续流动固定床反应器。
进一步的，步骤一和步骤二中，球磨罐先抽真空，之后再通入氩气或氢气，抽真空和通气体反复进行多次。
进一步的，在步骤一和步骤二的球磨过程中，球磨罐中的氩气和氢气均每隔0.5h通入一次。
二氧化碳分子包含Lewis酸位（C）和Lewis碱位（O）两个活性位，其活化反应具有亲电性和亲核性双重特性，所以催化剂需要提供电子和提供空轨道。本发明的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，是采用机械力化学的方法制备储氢材料，机械力化学技术是指在球磨的过程中，磨球和介质不断地碰撞，介质被强烈的塑性变形，进而产生应力和应变，研磨介质颗粒内产生大量的缺陷（空位和位错），使反应势垒降低，从而可以诱发一些利用热化学难以或无法进行的化学反应。本发明采用储氢材料作为二氧化碳加氢的氢源与催化剂，储氢材料的氢为负价，可为二氧化碳分子提供电子；将过渡金属铜原位掺杂到储氢材料表面，又可为二氧化碳提供空轨道，两方面共同促进二氧化碳分子活化。添加二氧化钛作载体和原位掺杂铁作助剂，可显著提高二氧化碳转化率和低碳醇的选择性。
本发明的有益效果为：
1、本发明的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，利用储氢材料对二氧化碳进行加氢，在二氧化碳加氢的过程中不使用氢气气氛，反应条件简单，操作简便；
2、本发明的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，反应温度为200~300℃，反应温度低，相应的对反应器的材质要求低；
3、储氢材料采用反应球磨的方法制备，制备方法简单，储氢材料作为二氧化碳加氢的氢源和催化剂制备的低碳醇选择性好，且二氧化碳的转化率高。
具体实施方式
为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合具体实施例进项阐述。
本案将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得熟悉本技艺之人士可以据以完成，然本案之实施例并非可由下列而被限制其实施形态。
实施例1
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为70%和30%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化0.5小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以15个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强1MPa下，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度300℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率50%，低碳醇选择性41%。
实施例2
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为80%和20%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化0.5小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以15个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强1MPa下，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度300℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率48%，低碳醇选择性40%。
实施例3
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为70%和30%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以15个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强1MPa下，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度300℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率52%，低碳醇选择性43%。
实施例4
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为70%和30%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以30个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强1MPa下，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度300℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率52%，低碳醇选择性44%。
实施例5
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为70%和30%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时，球磨罐上还连接有缓冲罐，缓冲罐还连接氢气瓶，通入的氩气经由缓冲罐进入球磨罐，利用缓冲罐和球磨罐之间的平衡气压来实现充气，避免高压气体造成球磨罐的损坏。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以30个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强2MPa下，球磨罐对称放置于行星式球磨机上球磨2小时，制得储氢材料，球磨过程中每隔30min向缓冲罐和球磨罐中补充气体，球磨完成后自然冷却至室温。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度300℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率51%，低碳醇选择性43%。
实施例6
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为70%和30%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以30个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强2MPa下，球磨2小时，制得储氢材料，球磨罐上还连有排气管，排气管的出气口设置于水槽中，水槽中的水对球磨罐实现液封，排气管上还设有压力阀，球磨罐在球磨过程中由于放热等因素造成的球磨罐气压超出压力阀设定气压时，多余气体经由排气管排出，另外排气管的设置还可以在向球磨罐充入氩气和氢气时起到排气的作用，避免充气过程中空气回流导致的空气置换不完全。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度250℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率45%，低碳醇选择性37%。
实施例7
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为80%和20%，在配料时，按质量百分数称取后放入球磨罐底部，用药匙将镁粉和二氧化钛粉末搅拌均匀，再加入磨球，使镁粉和二氧化钛粉置于磨球下方，避免在抽真空和冲氩气过程中将反应物粉末带出，最后将真空球磨罐盖拧紧并抽真空通氩气，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以30个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强2MPa下，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度250℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率48%，低碳醇选择性38%。
实施例8
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为80%和20%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以15个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，替换前将被替换的氧化锆磨球表面粉末筛除干净，筛除的粉末重新放入球磨罐中，再加入替换后的铜球和铁球，最后在氢气压强2MPa下，球磨2小时，制得储氢材料，制得的储氢材料还通过粉末压片机进行压片。将压片后的储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度300℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率48%，低碳醇选择性39%。
实施例9
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为80%和20%，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化0.5小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以15个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，在氢气压强2MPa下，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度250℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率47%，低碳醇选择性37%。
实施例10
将镁粉和二氧化钛粉置于球磨罐，两者质量百分数分别为80%和20%，球磨罐为真空球磨罐，将镁粉、二氧化钛粉末和磨球装入真空球磨罐之后，先抽真空，再充入氩气，之后再抽真空，反复进行3~5次，将球磨罐中的空气置换为氩气，之后在球磨机上进行球磨，在氧化锆研磨介质、氩气气氛下球磨活化1小时。以1000个直径3mm的铜球替换同等直径大小氧化锆磨球，以30个直径10mm的铁球替换同等直径大小氧化锆磨球，被替换的氧化锆磨球个数与替换的铁球和铜球的个数相同，磨球替换后球磨罐抽真空，再通入氢气，同样反复进行3~5次，将球磨罐中的空气置换为氢气，并维持氢气压强为1MPa，球磨2小时，制得储氢材料。将储氢材料置于内径20mm的连续流动固定床反应器，并通入二氧化碳。反应条件为温度250℃，空速1000 h-1。采用气相色谱仪对反应产物进行分析，二氧化碳转化率47%，低碳醇选择性36%。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一、将镁粉和二氧化钛粉末置于球磨罐中，再加入氧化锆磨球为研磨介质，通入氩气在氩气气氛下球磨活化；镁粉和二氧化钛的质量百分比为7:3~8:2；
步骤二、球磨结束后关闭氩气，打开球磨罐，以铜球和铁球替换部分氧化锆磨球，再通入氢气，在氢气气氛下球磨得到储存有氢气的储氢材料；
步骤三、将步骤二所得储存有氢气的储氢材料放入反应容器中，通入二氧化碳，反应容器加热至200~300℃，二氧化碳与储氢材料中的氢气反应生成低碳醇。
2.根据权利要求1所述的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：步骤一中的氧化锆磨球包括直径分别为3mm、6mm、10mm和20mm氧化锆磨球，所述直径为3mm、6mm、10mm和20mm氧化锆磨球的个数分别为1000、300、30和2。
3.根据权利要求2所述的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：步骤二中，将1000个直径3mm的氧化锆磨球替换为1000个直径为3mm的铜球，将30个直径10mm的氧化锆磨球替换为15~30个直径为10mm的铁球。
4.根据权利要求1所述的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：步骤一中通氩气进行球磨活化的时间为0.5~1h。
5.根据权利要求1所述的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：步骤二中球磨罐中的氢气压强为1~2MPa。
6.根据权利要求1所述的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：步骤一和步骤二中，球磨罐先抽真空，之后再通入氩气或氢气，抽真空和通气体反复进行多次。
7.根据权利要求1或6所述的一种用储氢材料对二氧化碳进行加氢的方法，其特征在于：在步骤一和步骤二的球磨过程中，球磨罐中的氩气和氢气均每隔0.5h通入一次。
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