[发明专利]一种基于空腔结构TiO2的铁基载氧体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学链燃烧技术领域，具体涉及一种高流动性高比表面积的基于空腔结构TiO₂的铁基载氧体及其制备方法。

背景技术

化学链燃烧(CLC)技术是一种高效、经济、绿色的新型无焰燃烧技术，可以在不消耗额外的能量的情况下分离并捕集CO₂。不同于传统的燃烧，它借助于载氧体，由载氧体将空气反应器中的氧传递到燃料反应器中，避免了燃料与空气直接接触，在燃料反应器生成高浓度的CO₂和水蒸气，仅需将水蒸气凝结便可以分理处高浓度的CO₂，而不需要耗费额外的能量分离CO₂，因而得到学者的广泛关注。

对于化学链燃烧技术，载氧体是基石，发展具有良好的反应性、机械强度、载氧能力、持续循环能力、抗烧结和团聚能力、抗积炭能力、耐高温能力的低成本和环境友好载氧体是化学链燃烧技术的核心要求。为提高载氧体的反应特性、机械强度、使用寿命、抗烧结能力等，需加入一些惰性且耐高温物质作为其载体。常用的惰性载体：Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZrO₂、NiAl₂O₄、海泡石(sepiolite)、MgAl₂O₄、NiAl₂O₄、Y₂O₃+ZrO₂(YSZ)等，不同载体的选用以及选用的混合比例对载氧体的性能也会产生较大影响。

微纳米的空心结构具有较大的比表面积、较小的密度和较高的流动性能，本发明基于非模板法，制取了多相空腔的微纳米结构惰性载体TiO₂。并通过沉淀法，将载氧体的活性物质Fe₂O₃负载于中空惰性载体表面，从而制备出新型铁基载氧体，借此来提高载氧体比表面积，增强载氧体的流动性能，进而可较大幅度的提高载氧体的性能。此外，空腔结构可以降低惰性物质的使用量，提高载体材料的利用率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有载氧体的不足，利用空腔结构惰性材料TiO₂作为载体，提供一种反应活性高、比表面积大、密度小、流化性能强、载氧能力强、热稳定性好、机械强度大和使用寿命长的基于空腔结构TiO₂的铁基化学链燃烧载氧体及其制备方法。

本发明所述的基于空腔结构TiO₂的铁基载氧体是在空腔结构TiO₂的表面负载活性成分Fe₂O₃而构成；其中，空腔结构载体TiO₂和活性成分Fe₂O₃的质量百分比分别为50％～95％和5％～50％。

所述空腔结构为球形，空腔结构是在制备过程中基于柯肯达尔效应及弗伦克尔效应形成的。其中柯肯达尔效应是指两种扩散速率不同的组分在相互扩散过程中会在分界面处形成空隙缺陷；弗伦克尔效应则表明由柯肯达尔效应所产生的空隙缺陷总是发生在扩散速率大的一侧。

本发明提供的一种基于空腔结构TiO₂的铁基载氧体的制备方法，具体制备步骤如下：

步骤(1)：将阳离子交换树脂用蒸馏水充分洗涤，除去杂质后自然干燥备用；

步骤(2)：室温下取钛酸正丁酯连续滴加到剧烈搅拌的无水乙醇中，然后将用硝酸调制的pH＝1的乙醇水溶液缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌，即得到二氧化钛溶胶，其中钛酸正丁酯、水的比例约为1∶3，钛酸正丁酯与乙醇用量比例约为1∶10；

步骤(3)：将步骤(1)中处理后的阳离子交换树脂平铺在布氏漏斗上，在其上用滴管滴加步骤(2)制备的二氧化钛溶胶，同时抽滤；然后将样品放入真空干燥器中干燥；最后，在马弗炉中以470℃灼烧6h，再以550℃灼烧2h，即制备出TiO₂空心微球载体；

步骤(4)：按照空腔结构TiO₂和活性成分Fe₂O₃各自所占的质量百分含量为50-95％和5-50％的比例，量取适量铁盐溶于足量的蒸馏水中，将制备的TiO₂空心微球载体放入上述溶液中，用浓氨水滴定溶液PH至9.0，经过超声波处理并搅拌后，过滤并收集滤渣；