本發(fā)明屬于催化劑制備，具體涉及一種基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，為了滿足工業(yè)發(fā)展要求，化石燃料過(guò)度燃燒導(dǎo)致過(guò)量co2排放所造成的溫室效應(yīng)和極端氣候問(wèn)題日益嚴(yán)峻，碳中和背景下的碳捕獲、利用與封存ccus技術(shù)是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，并已成為研究/工業(yè)領(lǐng)域新熱點(diǎn)。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是高爐煉鐵，會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，且難以直接減少。鋼鐵廠出口二氧化碳濃度通常在10％至30％之間。通常采用高效燃燒技術(shù)、碳捕集與存儲(chǔ)(ccs)技術(shù)、替代燃料(如氫氣)替代傳統(tǒng)的焦炭、以及提高能效等。通過(guò)這些措施，可以顯著降低二氧化碳排放，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)向低碳轉(zhuǎn)型。相比于物理處理法(如吸附或地下埋藏)，co2化學(xué)(催化)轉(zhuǎn)化不僅能從根本上減輕目前的環(huán)境形勢(shì)負(fù)擔(dān)，而且可通過(guò)該工藝獲取各種烴類燃料和高附加值液態(tài)化學(xué)品(如ch4、c2h4、ch3oh等)，或者直接裂解為c和o2或是分解為co和o2，從而減少對(duì)不可再生化石燃料的依賴，并減輕溫室效應(yīng)的影響。

2、近年來(lái)co2直接分解工藝以其轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)，引起了越來(lái)越多的興趣。然而，由于co2特殊的c＝o結(jié)構(gòu)，其熱力學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，將其直接分解需要大量的能量注入，有報(bào)道稱，理論上co2在1600k以上的高溫環(huán)境下才能斷裂化學(xué)鍵(c＝o鍵能為783kj/mol)。介質(zhì)阻擋放電(dbd)方式產(chǎn)生的低溫等離子體，與催化技術(shù)相耦合能夠在溫和條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。然而該技術(shù)存在著效率低、能耗高等缺點(diǎn)，為此，開發(fā)一種高轉(zhuǎn)化率、高能效的等離子體耦合系統(tǒng)目前研究的重中之重。

3、由于co2的特殊結(jié)構(gòu)，熱催化、電催化、光催化等常規(guī)的催化手段在co2分解方面存在著一些缺陷，例如，熱催化和電催化時(shí)需要外部提供較高的溫度或電場(chǎng)，存在著能源效率低的缺點(diǎn)，并且由于該過(guò)程常伴隨著化石燃料的燃燒，這可能更加劇了目前緊張的環(huán)境局勢(shì)。而對(duì)光催化而言，雖然其催化過(guò)程以清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)力，但是其產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率相對(duì)較低。近年來(lái)一種新型的低溫等離子體耦合催化技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾的視野中，該催化技術(shù)相較于上述三種常規(guī)的催化手段有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是目前也存在著二氧化碳轉(zhuǎn)化率和能源效率不能達(dá)到工業(yè)化要求的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)目前對(duì)于低溫等離子體耦合催化技術(shù)，存在著二氧化碳轉(zhuǎn)化率低，能量效率低等缺陷，本發(fā)明提供一種基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，采用鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑與等離子體分解二氧化碳技術(shù)相結(jié)合的等離子體耦合催化系統(tǒng)獲得較高二氧化碳轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，也得到了較高的能源效率。低溫等離子體催化二氧化碳分解的關(guān)鍵技術(shù)之一就是對(duì)使用催化劑的性能改進(jìn)，本發(fā)明主要通過(guò)水熱合成法對(duì)氧化鈰進(jìn)行改性，一方面提升了催化劑的性能，另一方面，通過(guò)摻雜資源較為豐富的鎂元素，極大程度上降低了氧化鈰的使用成本。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，包括以下步驟：用鑷子將石英棉均勻分散在等離子體反應(yīng)器的放電區(qū)，然后將鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑通過(guò)篩網(wǎng)均勻分散在等離子體反應(yīng)器內(nèi)，最后通過(guò)密封硅脂將介質(zhì)層與等離子體反應(yīng)器密封，隨后通入co2和ar的混合氣進(jìn)行吹掃，以移除空氣，然后在70～100v，1.1～1.4a的實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行反應(yīng)。

4、進(jìn)一步，石英棉的用量為0.05g，鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑的用量為0.3g，鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑的粒徑<96μm。

5、進(jìn)一步，co2和ar的混合氣的流速為220～270ml/min，二氧化碳占比13-99％。

6、進(jìn)一步，通入co2和ar的混合氣進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間為20min。

7、進(jìn)一步，鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑的制備方法如下：

8、(1)取適量的ce(no3)3·6h2o和mgcl2·6h2o以及尿素、聚乙烯吡咯烷酮加入到去離子水中配制得到前驅(qū)體溶液；將氫氧化鈉溶液加入到前驅(qū)體溶液中得到混合溶液；

9、(2)將混合溶液轉(zhuǎn)移到帶有聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后得到的沉淀洗滌、干燥后煅燒，煅燒后進(jìn)行研磨得到鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑。

10、進(jìn)一步，所述步驟(1)中，ce(no3)3·6h2o和mgcl2·6h2o的摩爾比為(1-4):(4-1)，尿素、聚乙烯吡咯烷酮、氫氧化鈉的摩爾比為5:1:(4-7)。

11、進(jìn)一步，所述步驟(1)中，ce(no3)3·6h2o、mgcl2·6h2o、尿素、聚乙烯吡咯烷酮、氫氧化鈉的摩爾比為0.00875:0.00375:0.05:0.01:0.06。

12、進(jìn)一步，所述步驟(2)中，水熱反應(yīng)的溫度為100℃-140℃，時(shí)間為24h。

13、進(jìn)一步，所述步驟(2)中，煅燒溫度為350℃-500℃，煅燒時(shí)間為4h。

14、進(jìn)一步，離子體的過(guò)程放電時(shí)間20分鐘時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到24.7％，能量效率達(dá)到17.47％。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1、本發(fā)明開發(fā)了一種顯著提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率和能源效率的耦合系統(tǒng)，針對(duì)催化劑分布不均，接觸點(diǎn)易極化的問(wèn)題，本發(fā)明提出催化劑耦合石英棉進(jìn)行均勻分散，電場(chǎng)集中效應(yīng)得到增強(qiáng)，增加等離子體中的電子激發(fā)和碰撞，提高了等離子體的能量密度和電子碰撞頻率，輸出功率得到提高。具體為，將石英棉均勻的分散在整個(gè)等離子體放電區(qū)中，由于高介電常數(shù)石英棉的添加，電場(chǎng)的集中效應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)與填充物相互作用時(shí)，電場(chǎng)的能量會(huì)更集中地傳輸?shù)降入x子體中，從而增加等離子體中的電子激發(fā)和碰撞，提高了等離子體的能量密度和電子碰撞頻率，進(jìn)而提高了二氧化碳分解性能。

17、2、針對(duì)二氧化碳碳氧鍵穩(wěn)定，激發(fā)難度低的問(wèn)題，采用ar為載氣，在反應(yīng)系統(tǒng)中同時(shí)通入ar+co2(ar氣比例范圍為1-87％)。ar可以用來(lái)稀釋反應(yīng)氣體混合物，降低氣相組分的濃度，從而使得等離子體中的活性物種(如電子、自由基等)更容易與二氧化碳分子發(fā)生碰撞和反應(yīng)。這種稀釋作用可以幫助提高反應(yīng)的選擇性和效率。此外，ar對(duì)等離子體起到了熱傳導(dǎo)的作用，有利于均勻地傳遞能量并維持等離子體的穩(wěn)定。由于等離子體反應(yīng)通常需要高溫環(huán)境，ar可以有效地將熱能傳遞到反應(yīng)系統(tǒng)中，幫助維持反應(yīng)的溫度和穩(wěn)定性。

18、3、針對(duì)等離子體耦合二氧化碳轉(zhuǎn)化率低的問(wèn)題，本發(fā)明開發(fā)了一種提高轉(zhuǎn)化率和能量效率的催化劑。該催化劑結(jié)構(gòu)均一、性能穩(wěn)定、氧空位高。采用水熱合成法合成高氧空位含量的氧化鈰，基于氧空位調(diào)控手段進(jìn)行金屬摻雜，提高氧原子的流動(dòng)性；此外，摻雜過(guò)后的催化劑能夠提供一系列堿性位點(diǎn)，有助于二氧化然吸附和活化，進(jìn)一步強(qiáng)化二氧化碳催化性能。同時(shí)，摻雜能夠降低氧化鈰的成本。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同金屬元素?fù)诫s過(guò)后的性能評(píng)價(jià)，鎂元素?fù)诫s效果最佳。

技術(shù)特征：

1.一種基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，包括以下步驟：用鑷子將石英棉均勻分散在等離子體反應(yīng)器的放電區(qū)，然后將鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑通過(guò)篩網(wǎng)均勻分散在等離子體反應(yīng)器內(nèi)，最后通過(guò)密封硅脂將介質(zhì)層與等離子體反應(yīng)器密封，隨后通入co2和ar的混合氣進(jìn)行吹掃，以移除空氣，然后在70～100v，1.1～1.4a的實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行反應(yīng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，石英棉的用量為0.05g，鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑的用量為0.3g，鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑的粒徑<96μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，co2和ar的混合氣的流速為220～270ml/min，二氧化碳占比13-99％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，通入co2和ar的混合氣進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間為20min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑的制備方法如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，所述步驟(1)中，ce(no3)3·6h2o和mgcl2·6h2o的摩爾比為(1-4):(4-1)，尿素、聚乙烯吡咯烷酮、氫氧化鈉的摩爾比為5:1:(4-7)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，其特征在于，所述步驟(1)中，ce(no3)3·6h2o、mgcl2·6h2o、尿素、聚乙烯吡咯烷酮、氫氧化鈉的摩爾比為0.00875:0.00375:0.05:0.01:0.06。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，所述步驟(2)中，水熱反應(yīng)的溫度為100℃-140℃，時(shí)間為24h。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用dbd等離子體耦合催化系統(tǒng)強(qiáng)化二氧化碳分解的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，煅燒溫度為350℃-500℃，煅燒時(shí)間為4h。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一所述的方法，其特征在于，二氧化碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到24.7％，能量效率達(dá)到17.47％。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于鈰基催化劑的低溫等離子體強(qiáng)化二氧化碳分解方法，用鑷子將石英棉均勻分散在等離子體反應(yīng)器的放電區(qū)，然后將鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑通過(guò)篩網(wǎng)均勻分散在等離子體反應(yīng)器內(nèi)，最后通過(guò)密封硅脂將介質(zhì)層與等離子體反應(yīng)器密封，隨后通入CO<subgt;2</subgt;和Ar的混合氣進(jìn)行吹掃，以移除空氣，然后在70~100V，1.1~1.4A的實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行反應(yīng)。本發(fā)明主要通過(guò)水熱合成法對(duì)氧化鈰進(jìn)行改性，一方面提升了催化劑的性能，另一方面，通過(guò)摻雜資源較為豐富的鎂元素，極大程度上降低了氧化鈰的使用成本。將鈰鎂復(fù)合氧化物催化劑與等離子體分解二氧化碳技術(shù)相結(jié)合在獲得較高二氧化碳轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，也同時(shí)得到了較高的能源效率。

技術(shù)研發(fā)人員：張百?gòu)?qiáng),左恒飛,胡坷,寧旭超,陳宇慧,武潭,朱世權(quán)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州輕工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15