[发明专利]二氧化碳受体

说明书

技术领域

本发明涉及制备纳米颗粒二氧化碳受体的方法、通过该方法制备的受体、该受体在多种捕获CO₂工艺中的用途、例如由所述纳米颗粒材料形成的膜的结构和所述受体的再生。

背景技术

全球变暖也许是人类如今面临的最大挑战。目前，由于人类活动例如燃烧化石燃料，每年有约290亿吨的CO₂排放到大气中。由于诸如中国和印度等国家变得更加工业化，所以预期这个数字还将上升。

考虑到二氧化碳对气候引起的灾难性影响，多数国家已经签署了旨在减少这些排放的京都议定书，并且现在众所周知的是设法从工厂的废气中除去CO₂以使空气中的排放最小化。

科学家已经设计了从废气中除去CO₂的多种路线。目前可利用的技术包括物理和化学吸收或吸附、低温法和气体分离膜。

从废气中除去CO₂是某些工业过程的特征，例如氢的生产和发电。吸附增强式蒸汽重整(SESMR)是制造氢的特定方法，其中可以在比常规方法低得多的温度下制造相对纯的氢。

对于在大气压力和环境温度下实现对二氧化碳的捕获已经进行了广泛的研究。但是，在较高温度和压力下捕获二氧化碳的研究却很少。如果在这些条件下能够实现二氧化碳的去除，则将是优选的，因为来自发电厂等的典型废气是热的。此外，SESMR在高温下发生并且在这个过程中使用的受体也需要在高温条件下有效地工作。

在J Electrochem.Soc.145，(1998)1344中，Nakayawa报道了含Li材料(主要是Li₂ZrO₃和Li₄SiO₄)是具有高二氧化碳捕获能力和高稳定性的期望候选物。Nakagawa等报道了锆酸锂在高温下理论上可以固定至多28wt％受体重量的二氧化碳，反应如下：

Li₂ZrO₃+CO₂Li₂CO₃+ZrO₂             (1)

在450至600℃的温度下的高捕获能力和稳定性使其有希望应用于例如SESMR。但是，动力学限制是使用Nakagawa材料的严重障碍。通过所述化合物来捕获二氧化碳需要花费极长的时间，使得它们不适合于工业应用，因为快速捕获二氧化碳和受体材料快速再生对于成功的受体而言是必要的。因此，本发明人寻找能够快速接受二氧化碳的物质。

已经广泛地研究了含Li陶瓷粉末的合成，尤其是锆酸锂的合成。采用了各种固态方法来制造锆酸锂粉末。ZrO₂和过氧化锂(或碳酸锂)之间的固态反应是最著名的方法并被Nakagawa使用来制备Li₂ZrO₃。在这些方法中，两种类型的粉末被机械混合并在高温下处理。固态反应通常需要高温和长反应时间。此外，最终的粒径通常是大的，部分是因为高温处理期间的烧结。

已经尝试了几种降低固态方法的初始粉末尺寸的方法。一个实例是使用溶胶-凝胶技术以制备ZrO₂细粉。但是，该粉末随后以固态在高温下与碳酸锂反应时伴随着烧结问题。还报道了合成Li₂ZrO₃作为聚变反应堆的增殖材料的沉淀燃烧方法。

发明内容

本发明人惊奇地发现纳米颗粒锆酸锂和其它混合的金属氧化物可以通过基于溶液的化学制备方法代替传统的固态反应来制备。这对所形成的混合金属氧化物的动力学特性和稳定性具有非常重要的影响。因此，已经发现新材料捕获二氧化碳比现有技术的那些材料快得多。在某些情况下，受体的完全饱和可以在3分钟内实现。

因此，从一个方面看，本发明提供一种用于制备纳米颗粒二氧化碳受体的方法，所述受体是包含至少两种金属离子X和Y的混合金属氧化物，其中所述方法包括在溶液中使金属离子X的氧化物前体与金属离子Y的氧化物前体接触；

干燥所述溶液，以形成无定形固体；

煅烧所述无定形固体，以形成所述受体。

从另一方面来看，本发明提供一种通过如前文所限定的方法制备的纳米颗粒受体。

纳米颗粒是指通过本发明方法形成的受体颗粒是纳米粒子，即直径小于500nm，优选小于300nm，尤其是小于100nm。最优选颗粒的直径为2至80nm，例如10至50nm，尤其是直径为10至25nm。可以使用公知的技术例如电子显微镜测量颗粒直径。纳米颗粒优选为晶体。