[发明专利]一种抗积碳性质的化学链制氢复合载氧体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于铁矿石的具有抗积碳性质的化学链制氢复合载氧体的制备方法，属于化学链制氢技术领域。

背景技术

由于化石燃料的燃烧导致了日益严重的温室效应等环境恶化问题，同时能源危机也亟待解决，氢能是一种未来可替代化石燃料的清洁二次能源。根据能源结构的变化，能源支柱基本按照低碳高氢的趋势发展，且人类使用的燃料从固态的煤，到液态的石油，再到气态的天然气，替代顺序按着固-液-气的方向进行，据此氢气是一种未来理想的能源载体。氢能是具有热值高、资源丰富、来源广泛、环保无污染、可再生、可存储等特点的极具发展潜力的新能源。从“京都议定书”到“哥本哈根世界气候大会”，各国都开始关注温室气体的排放以及低碳经济，共同应对全球气候变暖所带来的威胁。中国作为发展中国家，为实现可持续性发展，也突出了氢能在能源发展变革中的战略性地位，氢气作为燃料可以从根本上减少CO₂的排放，因此寻找清洁、高效的制氢技术尤为重要。

目前现有的制氢技术大部分是由化石燃料获得氢气，但过程中会排放大量的温室气体。甲烷水蒸气重整制氢的方法广泛使用，但产气需要经过氢气分离提纯等复杂工艺，成本较高。水分解制氢是另一主要制氢途径，包括电解水，太阳能光解水，热化学制氢等。电解水制氢是一种成熟的制造氢气的方法，得到的氢气纯度高，但过程中电耗过大，不具有竞争力，仅适合所需氢气量小且纯度要求高的企业；光解水的研究关键是高效、低成本、无附加污染的光催化材料，还在实验探索研究阶段。热化学制氢与水直接分解相比，每一步反应需要的温度较低，设备装置耐温要求降低，更易找到能量的提供源，同时降低成本，可实现工业化。但常见的使用金属卤化物或双组份S-I进行氧化还原，仍然需要高温热源，且在腐蚀气氛下材料的选择以及难以控制的反应过程都是制氢难点。工业上利用蒸汽-铁法制取氢气是有100多年历史的传统方法，但由于效率较低，发展受到限制。找到合适的高效、低耗、简单易操作的制氢方法，并减少二氧化碳的排放，是解决当前环境问题的必要途径。

随着化学链技术的发展，以及减排二氧化碳的大趋势，耦合了CO₂富集的化学链制氢受到了广泛关注。化学链制氢是一种新型的制氢技术，同时能够分离捕集二氧化碳，主要由还原过程和制氢过程组成，不需要水汽转换和变压吸附装置，可以直接制备高纯度的氢气。还原过程中载氧体被通入的气体燃料还原，还原态的载氧体再与水蒸气反应制氢。气体燃料以CO为例，载氧体以Me_xO_y表示，反应过程如下：

还原过程

CO+Me_xO_y→Me_xO_y-1+CO₂(1)

制氢过程

H₂O+Me_xO_y-1→Me_xO_y+H₂(2)

载氧体需要具备还原态的金属氧化物或金属单质与水蒸气反应有优良的产氢性质，且环境友好，价格低廉并能保持稳定的氧化还原特性。Fe₂O₃/Fe₃O₄常被用作制氢的载氧体，也会加入惰性载体，例如SiO₂和Al₂O₃，来增大比表面积、提高机械强度、传递和存储更多能量，进而提高载氧体的综合性能。铁矿石是化学链技术中应用最多的天然载氧体之一，主要成分为Fe₂O₃、SiO₂和Al₂O₃等。铁矿石中的Fe₂O₃的还原深度直接影响制氢的产量和纯度，但受到化学反应动力学的限制，深度还原过程Fe₃O₄转化为FeO或Fe的反应速度慢，导致后续制氢效果差。并且还原深度越大，含碳气体燃料会产生严重的析碳，并附着在载氧体表面，在制氢过程中与水蒸气反应，致使氢气纯度低，其中混有CO、CO₂。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明提供了一种基于铁矿石的具有抗积碳性质的化学链制氢复合载氧体的制备方法。本发明的目的在于采用浸渍法制备复合载氧体，既可以有效地提高铁矿石的反应活性，加深还原程度，还能抑制积碳的形成，提高制取氢气的纯度。