[发明专利]两步法太阳能热化学储能非贵金属催化剂及制备和应用

说明书

本发明公开了一种用于两步法中温太阳能热化学储能的非贵金属催化剂NiO/CeO₂‑TiO₂及其制备方法。该催化剂包括NiO、CeO₂和TiO₂两步法热化学循环过程中NiO主要以单质Ni存在，CeO₂为活性氧载体，通过晶格氧的得失实现CO₂或H₂O的裂解以及CH₄的部分氧化，TiO₂为助剂，促进循环过程中CeO₂‑TiO₂混合氧化物到Ce₂Ti₂O₇烧绿石的相变以及CeO₂的深度还原。该催化剂具有良好的热稳定性和循环稳定性，可有效降低两步法太阳能热化学裂解CO₂或H₂O的反应温度，大幅提高太阳能燃料(CO、H₂)的产生速率和产量，显著提升太阳能到化学能的储能效率，为中温太阳能热化学储能提供了可能。

技术领域

本发明涉及两步法太阳能热化学循环催化剂制备及太阳能热化学利用技术领域，具体涉及一种用于两步法中温太阳能热化学储能的非贵金属催化剂及其制备方法。

背景技术

太阳能化学储能研究有光化学转化、光电化学转化、人工光合作用以及太阳能热化学储能等多种形式。其中太阳能热化学储能的太阳能到化学能转化效率高，极具吸引力，为一新兴研究方向。

太阳能热化学储能是指利用聚焦太阳能驱动吸热化学反应，提供反应所需的能量，将间歇性、能量密度低、分布不均匀的太阳能转化为稳定、能量密度高、易于储存运输的太阳能燃料(合成气或氢气)，实现太阳能到化学能的直接转化。

两步法太阳能高温热化学储能技术，利用聚焦太阳能高温热化学裂解H₂O和CO₂，第一步在高温(1300℃-1500℃)惰性气体吹扫下热还原金属氧化物，第二步被还原的金属氧化物在低温(800℃-1100℃)条件下裂解H₂O和CO₂，制取太阳能燃料(H₂和CO)，操作简单，太阳能到化学能的转化效率高。然而其反应温度高、氧化和还原步温差大，对金属氧化物和反应器的热稳定性和抗热震性能带来了巨大的挑战。近年来有研究者提出第一步引入还原剂CH₄，可有效降低热还原步的温度，提高太阳能燃料的产量和太阳能到化学能的转换效率，为两步法中温太阳能热化学储能技术带来了可能。催化剂为两步法中温太阳能热化学储能技术的关键，目前研究得较多的催化剂主要有氧化铈、掺杂氧化铈、氧化铁、铁酸盐、铁基钙钛矿等，然而现有的催化剂CH₄部分氧化活性及H₂O和CO₂裂解速率较低，太阳能燃料的产生速率和产量较低，因而太阳能到化学能的转化效率较低，限制了两步法中温太阳能热化学储能技术的大规模应用。

今对现有技术的文献检索，目前鲜有基于两步法中温太阳能热化学储能技术具有优异太阳能燃料的产生速率和产量催化剂的报道。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于两步法中温太阳能热化学储能的非贵金属催化剂及其制备方法，以提高太阳能燃料的产生速率和产量，进而提高太阳能到化学能的转化效率，为两步法中温太阳能热化学储能提供技术保障。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于两步法中温太阳能热化学储能的非贵金属催化剂，该催化剂包括NiO、CeO₂和TiO₂，其中NiO充当活性物质，CeO₂为活性氧载体，TiO₂为助剂。