CN113663701A - 单原子熔融盐催化剂及其制备方法和聚光太阳能催化反应系统 - Google Patents
单原子熔融盐催化剂及其制备方法和聚光太阳能催化反应系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单原子熔融盐催化剂制备方法，将过渡金属供给体与碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐均匀混合后，加热至碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐的熔点以上，使碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐形成均一的熔融盐，过渡金属以单原子的形式分散于熔融盐中，得到单原子熔融盐催化剂。利用熔融盐作为过渡金属单原子催化剂的载体，能够实现过渡金属单原子催化剂的均匀分布，使催化剂的活性反应面充分暴露，提高催化剂的催化效率。本发明还公开了一种聚光太阳能催化反应系统，将二氧化碳和水反应合成氢气和一氧化碳，从而实现将太阳能转化为成易于储存和运输的化学燃料，并实现温室气体的循环利用，将对未来能源转换具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于聚光太阳能热催化化学储能技术领域，具体涉及一种分散于熔融盐中的过渡金属单原子催化剂及其制备方法和一种利用太阳能热效应提供的热量，通过该催化剂高效地将二氧化碳和水转化成氢气和一氧化碳的聚光太阳能催化反应系统。
背景技术
实现太阳能高效利用也是未来解决能源问题的关键所在。当前，人类开发利用太阳能还存在着光收集效率低、能量转化效率低以及储存成本高等诸多缺陷。利用聚光太阳能技术，人们可以通过光热转换获得理想的高温。但是常规的利用是通过热能产生热蒸汽，由热蒸汽推动涡轮发动机，从而驱动发电机发电。这种方式中间环节多，能量转化效率较低，并且具有时效性不易存储。而通过聚光太阳能技术获得的高温催化生成例如氢气、一氧化碳等的清洁燃料，不仅具有零排放、易于运输、可循环、可再生等优点，也符合未来能源发展趋势。设计高效廉价的热催化剂成为了实现这一途径的关键点。
单原子催化剂不仅可以最大化每个金属原子的利用效率，而且会表现出独特的催化活性。但是现有的单原子催化剂都固定在特定的基底上面，并且载量相对较低。因此亟需开发新型的热催化剂来解决这些问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单原子熔融盐催化剂及其制备方法和聚光太阳能催化反应系统，利用熔融盐作为过渡金属单原子催化剂的载体，不仅能够提高载量，而且能够实现过渡金属单原子催化剂的均匀分布，使催化剂的活性反应面充分暴露，提高催化剂的催化效率；将太阳能转换为成易于储存和运输的化学燃料，并实现温室气体的循环利用，对未来能源转换具有重要意义。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种单原子熔融盐催化剂制备方法，将过渡金属供给体与碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐均匀混合后，加热至碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐的熔点以上，使碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐形成均一的熔融盐，过渡金属以单原子的形式分散于熔融盐中，得到单原子熔融盐催化剂。
进一步，所述碱金属碳酸盐包括但不限于碳酸锂(Li2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸钾(K2CO3)中的一种或至少两种的混合物。
进一步，所述碱土金属碳酸盐包括但不限于碳酸钡(BaCO3)和碳酸锶(SrCO3)中的一种或至少两种的混合物。
进一步，所述过渡金属供给体包括但不限于乙酰丙酮盐、碳酸盐、卤化盐和硝酸盐中的一种或至少两种的混合物。
进一步，所述过渡金属包括铂(Pt)、钯(Pd)、铁(Fe)、锌(Zn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、铜(Cu)、铑(Rh)和钌(Ru)中的一种或至少两种。
进一步，所述过渡金属包括铂(Pt)，所述过渡金属供给体包括铂的供给体，所述铂的供给体包括但不限于氯铂酸钠、氯铂酸钾、四氯化铂、氯铂酸铵、硝酸铂和乙酰丙酮铂中的一种或至少两种的混合物。
进一步，所述单原子熔融盐催化剂中，过渡金属单原子在熔融盐中的质量比为0.01％-10％。
本发明还提出了一种采用如上所述单原子熔融盐催化剂制备方法制备得到的单原子熔融盐催化剂。
本发明还提出了一种聚光太阳能催化反应系统，包括催化反应器和用于向所述催化反应器聚集太阳能的蝶式聚光镜，所述催化反应器外覆盖有用于吸收热辐射的吸光层，所述催化反应器内设有用于存储如上所述单原子熔融盐催化剂的催化反应腔室；
所述催化反应器的进气端设有反应气体单元，所述反应气体单元内设有用于存储二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)的气体腔室；
所述催化反应器的出气端设有气体分离器，所述气体分离器上设有两个出气通道，其中一个所述出气通道与所述反应气体单元相连、并将分离得到的二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)通入到所述反应气体单元中，另一个所述出气通道上连接设有产物收集器，所述产物收集器用于存储经所述气体分离器分离得到的氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
进一步，调节所述蝶式聚光镜的角度以改变聚光强度，控制所述催化反应器的催化反应温度为300-1200℃。
本发明的有益效果在于：
本发明的单原子熔融盐催化剂制备方法，利用熔融的碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐作为过渡金属单原子催化剂的载体，不仅能够提高载量，而且能够实现过渡金属单原子催化剂的均匀分布，使催化剂的活性反应面充分暴露，提高催化剂的催化效率；由于高温下熔融的碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐性质稳定，在较宽温度范围内具有低的蒸气压、低的粘度、较高的离子迁移和扩散速度以及高的热容量和传热性能，并且具有溶解各种材料的能力，将具有催化活性的过渡金属以原子级分散于熔融盐中，并直接将此熔融盐作为催化反应的介质，不仅能够提供高温反应条件，而且可以起到催化作用。
本发明的聚光太阳能催化反应系统，利用碟式聚光镜的聚光作用将太阳能热辐射传递给催化反应器后转变为催化反应所需的热能，实现了可再生太阳能的高效转换与利用；具有工艺流程短，操作简单，可实现合成气的大规模生产的技术目的；利用单原子熔融盐催化剂热催化反应能够将二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)转化成氢气(H2)和一氧化碳(CO)，将太阳能转换为成易于储存和运输的化学燃料，并实现温室气体的循环利用，对未来能源转换具有重要意义。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明聚光太阳能催化反应系统实施例的结构示意图。
附图标记说明：
1-碟式聚光镜，2-反应气体单元，3-流量计，4-催化反应器，5-吸光层，6-气体分离器，7-产物收集器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本实施例的单原子熔融盐催化剂制备方法，将过渡金属供给体与碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐均匀混合后，置于耐高温防腐蚀的容器中；加热至碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐的熔点以上，使碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐形成均一的熔融盐，过渡金属以单原子的形式分散于熔融盐中，得到单原子熔融盐催化剂。本实施例的单原子熔融盐催化剂中，过渡金属单原子在熔融盐中的质量比为0.01％-10％。本实施例将过渡金属供给体与碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐通过研钵或球磨机研磨后实现均匀混合。
具体的，碱金属碳酸盐包括但不限于碳酸锂(Li2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸钾(K2CO3)中的一种或至少两种的混合物。碱土金属碳酸盐包括但不限于碳酸钡(BaCO3)和碳酸锶(SrCO3)中的一种或至少两种的混合物。
进一步，过渡金属供给体包括但不限于乙酰丙酮盐、碳酸盐、卤化盐和硝酸盐中的一种或至少两种的混合物。过渡金属包括铂(Pt)、钯(Pd)、铁(Fe)、锌(Zn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、铜(Cu)、铑(Rh)和钌(Ru)中的一种或至少两种。且当过渡金属包括铂(Pt)时，过渡金属供给体包括铂的供给体。具体的，例如铂的供给体包括但不限于氯铂酸钠、氯铂酸钾、四氯化铂、氯铂酸铵、硝酸铂和乙酰丙酮铂中的一种或至少两种的混合物。
本实施例的单原子熔融盐催化剂制备方法，利用熔融的碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐作为过渡金属单原子催化剂的载体，不仅能够提高载量，而且能够实现过渡金属单原子催化剂的均匀分布，使催化剂的活性反应面充分暴露，提高催化剂的催化效率；由于高温下熔融的碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐性质稳定，在较宽温度范围内具有低的蒸气压、低的粘度、较高的离子迁移和扩散速度以及高的热容量和传热性能，并且具有溶解各种材料的能力，将具有催化活性的过渡金属以原子级分散于熔融盐中，并直接将此熔融盐作为催化反应的介质，不仅能够提供高温反应条件，而且可以起到催化作用。
如图1所示，为本发明聚光太阳能催化反应系统实施例的结构示意图。本实施例的聚光太阳能催化反应系统，包括催化反应器4和用于向催化反应器4聚集太阳能的蝶式聚光镜1，催化反应器4外覆盖有用于吸收热辐射的吸光层5，催化反应器4内设有用于存储单原子熔融盐催化剂的催化反应腔室，即本实施例的催化反应腔室具有耐高温防腐蚀的特性。本实施例的蝶式聚光镜的角度可调节，在催化反应过程中，可通过调节所述蝶式聚光镜的角度以改变聚光强度，来控制催化反应器4的催化反应温度为300-1200℃。
本实施例的催化反应器4的进气端设有反应气体单元2，反应气体单元2内设有用于存储二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)的气体腔室，气体腔室用于容置待反应的气体并对待反应气体进行预加热气化。
本实施例的催化反应器4的出气端设有气体分离器6，气体分离器6上设有两个出气通道，其中一个出气通道与反应气体单元2相连、并将分离得到的二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)通入到所述反应气体单元2中，即将未催化反应的二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)通入到反应气体单元2中循环利用；另一个所述出气通道上连接设有产物收集器7，产物收集器7用于存储经气体分离器6分离得到的氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
优选的，反应气体单元2与催化反应器4之间设有用于检测气体流量的流量计3，用于实时检测待反应气体的流量。
本实施例的聚光太阳能催化反应系统，利用碟式聚光镜的聚光作用将太阳能热辐射传递给催化反应器后转变为催化反应所需的热能，实现了可再生太阳能的高效转换与利用；具有工艺流程短，操作简单，可实现合成气的大规模生产的技术目的；利用单原子熔融盐催化剂热催化反应能够将二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)转化成氢气(H2)和一氧化碳(CO)，将太阳能转换为成易于储存和运输的化学燃料，并实现温室气体的循环利用，对未来能源转换具有重要意义。
下面结合具体实例对本发明的聚光太阳能催化反应系统进行详细说明。
实施例1
以100g碳酸钠(Na2CO3)和100g碳酸钾(K2CO3)与10g乙酰丙酮铁形成的熔融盐作为催化反应体系，以二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)作为反应原料气，催化反应器4为可密封不锈钢材质。首先将碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)和乙酰丙酮铁三种盐研磨混合均匀后置于催化反应器4，升温到900℃，并保持3h；而后接通催化反应器4的进气端和出气端，先通入氩气排除腔内氧气等其他气体，而后接通反应气体单元2和气体分离器6，将二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)混合气体以1：1的比例通入催化反应器4，气体流速为10mL/min，持续12小时，反应期间温度保持恒定，收集反应后的气体，得到催化反应产物氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
实施例2
以100g碳酸钠(Na2CO3)和100g碳酸钾(K2CO3)与10g乙酰丙酮锌形成的熔融盐作为催化反应体系，以二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)作为反应原料气，催化反应器4为可密封不锈钢材质。首先将碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)和乙酰丙酮锌三种盐研磨混合均匀后置于催化反应器4，升温到900℃，并保持3h；而后接通催化反应器4的进气端和出气端，通入氩气排除腔内氧气等其他气体，而后接通反应气体单元2和气体分离器6，将二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)混合气体以1：1的比例通入催化反应器4，气体流速为10mL/min，持续12min，反应期间温度保持恒定，收集反应后的气体，得到催化反应产物氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：
将过渡金属供给体与碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐均匀混合后，加热至碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐的熔点以上，使碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐形成均一的熔融盐，过渡金属以单原子的形式分散于熔融盐中，得到单原子熔融盐催化剂。
2.根据权利要求1所述的单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：所述碱金属碳酸盐包括但不限于碳酸锂(Li2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸钾(K2CO3)中的一种或至少两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：所述碱土金属碳酸盐包括但不限于碳酸钡(BaCO3)和碳酸锶(SrCO3)中的一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：所述过渡金属供给体包括但不限于乙酰丙酮盐、碳酸盐、卤化盐和硝酸盐中的一种或至少两种的混合物。
5.根据权利要求4所述的单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：所述过渡金属包括但不限于铂(Pt)、钯(Pd)、铁(Fe)、锌(Zn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、铜(Cu)、铑(Rh)和钌(Ru)中的一种或至少两种。
6.根据权利要求1所述的单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：所述过渡金属包括铂(Pt)，所述过渡金属供给体包括铂的供给体，所述铂的供给体包括但不限于氯铂酸钠、氯铂酸钾、四氯化铂、氯铂酸铵、硝酸铂和乙酰丙酮铂中的一种或至少两种的混合物。
7.根据权利要求1-6任一项所述的单原子熔融盐催化剂制备方法，其特征在于：所述单原子熔融盐催化剂中，过渡金属单原子在熔融盐中的质量比为0.01％-10％。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述单原子熔融盐催化剂制备方法制备得到的单原子熔融盐催化剂。
9.一种聚光太阳能催化反应系统，其特征在于：包括催化反应器和用于向所述催化反应器聚集太阳能的蝶式聚光镜，所述催化反应器外覆盖有用于吸收热辐射的吸光层，所述催化反应器内设有用于存储如权利要求8所述单原子熔融盐催化剂的催化反应腔室；
所述催化反应器的进气端设有反应气体单元，所述反应气体单元内设有用于存储二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)的气体腔室；
所述催化反应器的出气端设有气体分离器，所述气体分离器上设有两个出气通道，其中一个所述出气通道与所述反应气体单元相连、并将分离得到的二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)通入到所述反应气体单元中，另一个所述出气通道上连接设有产物收集器，所述产物收集器用于存储经所述气体分离器分离得到的氢气(H2)和一氧化碳(CO)。
10.根据权利要求9所述的聚光太阳能催化反应系统，其特征在于：调节所述蝶式聚光镜的角度以改变聚光强度，控制所述催化反应器的催化反应温度为300-1200℃。
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