用于在碳氧化物催化转化器中使用金属催化剂的方法技术

一种还原气态碳氧化物的方法包括在钢催化剂存在下使碳氧化物与气态还原剂反应。反应在适于产生各种同素异形体和形态的固体碳的条件下进行，所述同素异形体和形态的选择性形成可借助于控制反应气体组合物和包括温度和压力在内的反应条件来控制。一种用于利用钢催化剂来还原碳氧化物的方法包括将所述钢催化剂放置在合适反应器中和使包含碳氧化物与至少一种气态还原剂的反应气体流经所述反应器，其中在所述钢催化剂存在下，所述碳氧化物中的碳的至少一部分被转化成固体碳和含有水蒸汽的尾气混合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在碳氧化物催化转化器中使用金属催化剂的方法优先权声明本申请要求2012年4月16日提交的美国临时专利申请序列号61/624,848“MethodsforUsingMetalCatalystsinCarbonOxideCatalyticConverters”的申请日的权益，其公开内容特此全部通过引用方式并入本文。
本公开的实施方案涉及将含碳原料大规模催化转化成固体碳，并且更具体地说，涉及转化一氧化碳、二氧化碳或其任何组合的混合物以产生碳纳米管结构的方法。
技术介绍
公开内容全部通过引用方式并入本文的2012年2月9日公布的美国专利公布号2012/0034150A1公开与本文有关的背景信息。另外的信息公开于以下文件中，其公开内容全部通过引用方式并入本文：1.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000072(代理人案号3525-P10945.1PC)，“MethodsandStructuresforReducingCarbonOxideswithNon-FerrousCatalysts”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月16日提交的U.S.S.N.号61/624,702的权益；2.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000076(代理人案号3525-P10946.1PC)，“MethodsandSystemsforThermalEnergyRecoveryfromProductionofSolidCarbonMaterialsbyReducingCarbonOxides”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月16日提交的U.S.S.N.号61/624,573的权益；3.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000077(代理人案号3525-P10947.1PC)，“MethodsforProducingSolidCarbonbyReducingCarbonDioxide”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,723的权益；4.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000073(代理人案号3525-P11001.1PC)，“MethodsandReactorsforProducingSolidCarbonNanotubes,SolidCarbonClusters,andForests”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,753的权益；5.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000075(代理人案号3525-P11002.1PC)，“MethodsforTreatinganOffgasContainingCarbonOxides”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,513的权益；6.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000081(代理人案号3525-P11249.1PC)，“MethodsandSystemsforCapturingandSequesteringCarbonandforReducingtheMassofCarbonOxidesinaWasteGasStream”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,462的权益；7.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000078(代理人案号3525-P11361.1PC)，“MethodsandSystemsforFormingAmmoniaandSolidCarbonProducts”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年7月13日提交的U.S.S.N.61/671,464的权益；并且8.与上述公布相同日期提交的国际申请号PCT/US2013/000079(代理人案号3525-P11771PC)，“CarbonNanotubesHavingaBimodalSizeDistribution”，其要求以DallasB.Noyes名义于2012年4月23日提交的U.S.S.N.61/637,229的权益。固体碳具有许多商业应用。这些应用包括长期用途，如碳黑和碳纤维在轮胎、油墨等中用作填充剂材料、各种形式石墨的许多用途(例如，热防护屏中的热解石墨)以及巴克敏斯特富勒烯和碳纳米管的创新性和新兴应用。制造各种形式固体碳的常规方法通常涉及在合适催化剂的存在下进行烃的热解。烃通常由于历史丰富的可获得性和相对低的成本而用作碳来源。在固体碳的生产中使用碳氧化物作为碳来源在很大程度上未得到利用。碳氧化物，尤其二氧化碳，是可从点源排放物如烃燃烧的排出气体或从一些过程废气中提取的丰富气体。二氧化碳还可从空气中提取。因为与空气相比，点源排放物具有高得多的二氧化碳浓度，所以其经常为收获二氧化碳的较为经济的来源。然而，因为从空气中的二氧化碳本地制造固体碳产物可消除运输成本，所以空气的即时可获得性可提供成本抵消。二氧化碳作为发电和化学过程的副产物正日益变得可获得并且廉价，在所述化学过程中，目标为通过捕捉和后续封存二氧化碳(例如，通过注射至地质岩层中)来减少或消除二氧化碳排放至大气中。举例来说，捕捉和封存二氧化碳是一些“环保”烧煤发电站的基础。在当前实践中，捕捉和封存二氧化碳需要大量成本。存在其中已经识别各种平衡的涉及碳、氧和氢的一系列反应。烃热解涉及有利于固体碳产生的氢与碳之间的平衡，其中通常几乎没有氧存在。鲍多尔德(Boudouard)反应，也称为“一氧化碳歧化反应”是有利于固体碳产生的碳与氧之间的平衡范围，其中通常几乎没有氢存在。波许(Bosch)反应处于所有碳、氧和氢在也有利于固体碳产生的反应条件下都存在的平衡范围内。烃热解、鲍多尔德和波许反应之间的关系可根据如图1展示的C-H-O平衡图来理解。图1的C-H-O平衡图展示固体碳，包括碳纳米管(“CNT”)的各种已知途径。烃热解反应在连接H和C的平衡线上以及在相对于虚线左上部的三角形左边缘附近的区域中发生。因为热解区与波许反应区之间的过渡似乎随着反应器温度而变化，所以展示两条虚线。鲍多尔德，或一氧化碳歧化反应，在连接O和C的平衡线(即，三角形的右边缘)附近发生。横贯此图的不同温度的平衡线展示固体碳将会形成的大致区域。对于每个温度，固体碳总体上在相关平衡线上方的区域中形成，但是总体上不会在平衡线下方的区域中形成。鲍多尔德反应区出现在三角形的右侧。在此区域中，鲍多尔德反应在热力学上比波许反应优先。在热解区与鲍多尔德反应区之间的区域中并且在具体反应温度曲线上方，波许反应在热力学上比鲍多尔德反应优先。CNT由于其独特材料性质，包括强度、电流承载能力以及热和电导性而为有价值的。CNT的当前批量使用包括在制造复合物中用作树脂的添加剂。对于CNT的应用的研究与开发是非常活跃的，并且已有各种各样的应用在使用中或在考虑中。CNT的广泛使用的一个障碍是制造成本。美国专利7,794,690(Abatzoglou本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生预先选定形态的碳纳米管的方法，所述方法包括：调理金属催化剂以获得所需化学组成的表面结构；将所述金属催化剂引入反应器中；将所述反应器净化以去除氧；使还原气体流入所述反应器中；在所述还原气体存在下加热所述金属催化剂以还原所述金属催化剂的表面上的金属氧化物并且提供具有所述所需化学组成的大致上不含氧的表面；在所述金属催化剂和所述还原气体存在下使气态碳氧化物反应；以及控制反应器温度、反应器压力、反应气体组合物和所述金属催化剂对所述气态碳氧化物和所述还原气体的暴露时间中的至少一个以产生所述选定碳纳米管形态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.16 US 61/624,8481.一种产生碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法包括：将包含至少一种催化剂表面结构的金属催化剂引入反应器中；氧化所述至少一个催化剂表面结构；将所述反应器净化以去除氧；使还原气体流入所述反应器中；在氧化所述至少一种催化剂表面结构之后，在所述还原气体存在下加热所述金属催化剂以还原所述金属催化剂的至少一种催化剂表面结构上的金属氧化物并且提供大致上不含氧的表面；在所述金属催化剂和所述还原气体存在下使气态碳氧化物与所述还原气体反应；以及控制反应器温度、反应器压力、反应气体组合物和所述金属催化剂对所述气态碳氧化物和所述还原气体的暴露时间中的至少一个以产生碳纳米管。2.如权利要求1所述的方法，其中将包含至少一种催化剂表面结构的金属催化剂引入反应器中包括将至少一种固体催化剂表面安装至所述反应器。3.如权利要求1所述的方法，其中将所述反应器净化以去除氧包括置换大致上所有来自所述反应器的空气。4.如权利要求1所述的方法，其中使还原气体流入所述反应器中包括使氢和甲烷中的至少一种流入所述反应器中。5.如权利要求1所述的方法，其中在所述还原气体存在下加热所述金属催化剂包括通过控制所述还原气体的流速和所述还原气体的温度中的至少一个来控制所述金属催化剂的温度。6.如权利要求1所述的方法，其中在所述还原气体存在下加热所述金属催化剂包括控制所述还原气体的流速和所述金属催化剂对所述还原气体的暴露时间。7.如权利要求1所述的方法，其中在所述金属催化剂存在下使气态碳氧化物反应包括在所述金属催化剂存在下使二氧化碳反应。8.如权利要求1所述的方法，其中控制所述金属催化剂对所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·B·诺伊斯，
申请(专利权)人：赛尔斯通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US