一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂，所述铁基催化剂的化学式为Fe/Fe

【技术实现步骤摘要】
一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及光驱动催化
更具体地，涉及一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来随着能源需求及化石燃料消耗的不断增加，大量CO2作为化石能源燃烧的最终产物被排入大气中，加剧了全球气温变暖、海平面上升等，严重威胁着人类的生存环境。同时CO2也是一种潜在的优质碳源，如何更好的利用CO2变得尤为重要，因此，迫切的需要我们开发一种清洁的制备能源的技术。太阳能由于其取之不竭、环保无污染、可循环利用等优点，在未来的新能源利用开发中占据不可替代的地位。CO2加氢反应作为一种传统的制备能源的技术更是受到了人们的重视，如何能够利用清洁的能源如太阳能来驱动二氧化碳加氢反应是我们急需探讨的一个话题。二氧化碳加氢都是在高温高压中进行的，高温反应加速了积碳的形成和催化剂烧结导致催化剂的失活；同时从能量和效率上讲都是极其浪费的，如何在较温和条件下驱动该反应，一直以来是催化及化学领域最前沿和极具挑战的课题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的第一个目的在于提供一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂，该催化剂尤其适用于光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃反应中，该反应中，二氧化碳具有较高的转化率，且对甲烷和C
2-C4烃均具有较高的选择性。
[0004]本专利技术的第二个目的在于提供一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂的制备方法。
[0005]本专利技术的第三个目的在于提供一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂的应用。
[0006]为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂，所述铁基催化剂的化学式为Fe/Fe
x
O
y
/MgO-Al2O3；其中，x＝2或3，y＝3或4。
[0008]为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0009]一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]1)配制混合金属盐溶液：将铁盐、镁盐和铝盐溶解于去离子水中，加入沉淀剂，充分溶解后加入水热釜中，在90～130℃条件下反应，晶化8～24h，得到粗产物；
[0011]2)将步骤1)得到的粗产物洗涤、干燥，即得到前驱体水滑石材料；
[0012]3)将步骤2)得到的前驱体水滑石材料在氢氩混合气气氛中以1～5℃
·
min-1
升温速率升温到300～700℃，保持2～5h，完毕后切换至氮气气氛，自然降温到室温，即得到所述
光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂。
[0013]由于铁基催化剂是CO2加氢中制备高碳烃的活性相，又由于本专利技术中是用水滑石为前驱体，因此需要采用铁盐作为铁源，同样由于本专利技术采用水滑石为前驱体且氧化铝在CO2加氢反应中是很好的载体，因此采用铝盐作为铝源。此外，在本专利技术中，由LDH的前驱体直接在还原气氛中还原，和先煅烧成氧化物后再还原，两种方法所得催化剂的催化效果相同，因此本专利技术中可以采用直接还原的方法制备催化剂，简化了操作步骤。
[0014]进一步地，步骤1)中，所述镁盐溶解于去离子水中的浓度为0.2～0.04mol
·
L-1
；所述铁盐溶解于去离子水中的浓度为0.1～0.02mol
·
L-1
；所述铝盐溶解于去离子水中的浓度为0.1～0.02mol
·
L-1
；所述镁盐、铁盐和铝盐的摩尔比为3～1:1:1；所述镁盐选自硝酸镁、氯化镁或硫酸镁中的一种或几种；所述铁盐选自硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的一种或几种；所述铝盐选自硝酸铝、氯化铝或硫酸铝中的一种或几种；
[0015]所述沉淀剂为氢氧化钠，沉淀剂的加入摩尔数为镁盐、铁盐和铝盐摩尔总数的2～8倍。
[0016]进一步地，步骤2)中，洗涤的方式为用去离子水洗涤3～6次，干燥的温度为40～90℃，干燥的时间为5～20h。
[0017]进一步地，步骤2)中，所述前驱体水滑石材料的化学式为[Mg
2+1-m-n
Fe
3+m
Al
3+n
(OH)2](m+n)+
·
(A
x-)
(m+n)/x
·
yH2O，其中0.2≤m+n≤0.33；x为阴离子的化合价数；y为结晶水数量，y的取值范围为0.5～9；A
x-是NO
3-或CO
32-。
[0018]进一步地，步骤3)中，所述氢氩混合气中氢气的体积分数为10％。
[0019]为达到上述第三个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0020]如上第一个目的所述的铁基催化剂在光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃反应中的应用。
[0021]本专利技术基于水滑石的层状结构及层板二价和三价金属离子的比例可调控性，通过高温还原制备高负载量和高分散性铁基催化剂，并首次用此催化剂光驱动催化CO2加氢反应，且其产物有较高的高碳烃选择性。
[0022]进一步地，所述反应在光照条件下进行，优选为全光谱条件下光照。
[0023]进一步地，所述应用包括如下步骤：
[0024]在可透光的密闭反应釜中加入所述铁基催化剂，通入稀释的反应气，在全光谱条件下光照，采用气相色谱检测产物随时间的变化；
[0025]其中，所述稀释的反应气为包括CO2、H2和Ar的混合气体。
[0026]稀释的反应气也即包含了惰性气体Ar的反应气(CO2和H2)。
[0027]进一步地，所述CO2、H2和Ar的体积比为15:60:25。该比例下CO2加氢更有利于向高碳烃生成，且CO2的转换率不至于太低。
[0028]进一步地，所述铁基催化剂的添加量为20～120mg/108ml稀释的反应气。
[0029]另外，如无特殊说明，本专利技术中所用原料均可通过市售商购获得，本专利技术所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
[0030]本专利技术的有益效果如下：
[0031]本专利技术中提供的铁基催化剂中，以层状水滑石为前驱体，利用其自身的晶格定位
效应和结构拓扑转化效应，通过高温还原，水滑石作为前体或刚性、稳定的模板，诱导限域形成具有高分散性和高负载型廉价金属铁纳米催化剂。本专利技术中的铁基催化剂无需额外添加助催化剂即可在光驱动下催化CO2加氢反应制备高选择性的高碳烃和甲烷。
[0032]本专利技术提供的铁基催化剂中，可通过控制前体金属盐摩尔比例和还原温度，进一步提高制得的铁基催化剂在光驱动催化二氧化碳加氢反应制备高碳烃中的选择性。
[0033]本专利技术中首次实现了光驱动下采用铁基催化剂用于光驱动CO2加氢反应制备高选择性的高碳烃，产物中高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂，其特征在于，所述铁基催化剂的化学式为Fe/Fe
x
O
y
/MgO-Al2O3；其中，x＝2或3，y＝3或4。2.如权利要求1所述的铁基催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)配制混合金属盐溶液：将铁盐、镁盐和铝盐溶解于去离子水中，加入沉淀剂，充分溶解后加入水热釜中，在90～130℃条件下反应，晶化8～24h，得到粗产物；2)将步骤1)得到的粗产物洗涤、干燥，即得到前驱体水滑石材料；3)将步骤2)得到的前驱体水滑石材料在氢氩混合气气氛中以1～5℃
·
min-1
升温速率升温到300～700℃，保持2～5h，完毕后切换至氮气气氛，自然降温到室温，即得到所述光驱动催化二氧化碳加氢制备高碳烃用铁基催化剂。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镁盐溶解于去离子水中的浓度为0.2～0.04mol
·
L-1
；所述铁盐溶解于去离子水中的浓度为0.1～0.02mol
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L-1
；所述铝盐溶解于去离子水中的浓度为0.1～0.02mol
·
L-1
；所述镁盐、铁盐和铝盐的摩尔比为3～1:1:1；所述镁盐选自硝酸镁、氯化镁或硫酸镁中的一种或几种；所述铁盐选自硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的一种或几种；所述铝盐选自硝酸铝、氯化铝或硫酸铝中的一种或几种；所述沉淀剂为氢氧化钠，沉淀剂的加入摩尔数为镁盐、铁盐和铝盐摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁锐，李振华，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：