[发明专利]Yb1‑xMxBaCo4O7富氧燃烧吸附剂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，特别涉及稀土元素掺杂的Yb_1-xM_xBaCo₄O₇富氧燃烧吸附剂材料的制备方法。

背景技术

作为导致全球变暖的最重要的温室气体，二氧化碳（CO₂）的减排、回收、固定和利用问题已经成为全球关注的热点课题。除了大力发展新能源、提高能效、提倡节能之外，解决现有化石燃料所产生的CO₂排放问题更具有现实意义。2001年，国际能源机构提出了将现有化石燃料产生的CO₂捕获起来，集中存储于废弃矿井、油田以及海洋底部的应对方案。常规空气燃烧方式排放的烟气中含有大量的氮气，CO₂浓度较低，导致CO₂捕获效率低下，成本较高。因此，如果能够提高燃烧尾气中CO₂的浓度，将会使回收成本大幅度降低。富氧燃烧（也称O₂/CO₂燃烧）就是在这一背景下产生的燃烧新技术。该技术利用纯氧和部分尾气构成的O₂/CO₂混合气代替空气作为氧化剂，燃料燃烧后的主要产物为CO₂和H₂O，除水之后尾气中CO₂的浓度高达95%以上，无需分离就可以实现CO₂捕集与封存。该技术还能够减少排烟热损失，提高锅炉效率，减少NO_x和SO₂等污染物的排放，是一项高效节能、环境友好的燃烧方式。虽然富氧燃烧具有如此显著的优点，但由于其工艺过程中需要纯氧，导致运行成本增加。因此，能否降低富氧燃烧工艺中氧气的生产成本是决定该技术能否被应用的关键。目前工业上大规模制备氧气的办法是深冷空气分离制氧，它的主要缺点是能量消耗大和投资成本高。鉴于此，近年来人们一直在探索一种可以取代深冷空分法的制氧方法。

基于陶瓷吸附剂的富氧燃烧O₂/CO₂混合气制取技术给陶瓷吸附剂开辟了一个广阔的应用前景。目前广泛研究的氧分离材料主要有：Ba_0.95Ca_0.05Co_0.8Fe_0.2O_3-δ、La_0.2Sr_0.8Co_0.8Fe_0.2O_3-δ、SrFeCo_0.5O_3-δ，这些氧分离材料具有良好的氧吸附/脱附性能，但是这些氧分离材料只有在较高温度下（800-1000℃）才有较为可观的氧吸附/脱附行为。而工作温度过高不仅能源消耗过大，同时容易破坏材料的结构对氧分离材料的实际应用非常不利。当前研究的陶瓷氧吸附剂用于制备O₂/CO₂混合气时面临两个主要问题：一是操作温度高，耗能量较大；二是氧脱附速率相对较慢，产氧效率低。因此，如果能够开发出氧吸附量大、氧吸附/脱附速率快、操作温度低、循环稳定性高的陶瓷氧吸附剂材料，则必将促进O₂/CO₂混合气制取以及富氧燃烧技术的快速发展。因此，探索在较低温度下就有较活跃的氧吸附/脱附行为的新型材料是发展新型氧分离材料的关键。

RBaCo₄O₇（R代表稀土元素）是新合成的一类氧化物，具有非常奇特的氧存储与氧释放能力。在200-1000ºC的温度区间内，当在空气或氧气中加热时，该材料在200-400ºC和600-1000ºC温区间内存在两个快速的吸氧和放氧过程， 200ºC吸附的氧在400ºC可以释放；600ºC吸附的氧在1000ºC可以释放。该类材料储氧能力巨大，储氧量和储氧温度连续可调。这一特性在气体分离、氧存储、氧传感器、氧化还原催化剂、富氧燃烧吸附剂材料等领域具有重要的应用价值，但该类材料在低温氧吸附/脱附性能较差，研究者提出了采用稀土元素掺杂方法来改善RBCo₄O₇材料的低温的氧吸附/脱附特性，但该类材料作为富氧燃烧吸附剂材料的文献鲜有报道。