[发明专利]利用铁粉和钴粉水热还原二氧化碳产长链烷烃的方法

说明书

本发明涉及一种利用铁粉和钴粉水热还原二氧化碳产长链烷烃的方法；该方法以铁粉为还原剂分解水产原位氢，以钴粉为催化剂，在150～400℃的水热条件下，二氧化碳与原位氢反应0.5～12h可以得到长链烷烃(C1‑C21)。该方法直接使用水中原位氢，不需要使用气体H₂，避免了H₂的运输、贮存及纯度等问题；且与气体氢气相比，水分解的原位氢的活性更高，长链烷烃的生成速率更快。在水热反应过程中，钴粉在原位合成了一种特殊的蜂窝状纳米片，成为催化长链烷烃生成的活性中心。整个过程简单高效，只需使用一般的铁，钴粉末，不需复杂工艺特别合成的特殊的催化剂，具有极高的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种利用铁粉和钴粉水热还原二氧化碳产长链烷烃的新方法，属环境工程技术领域和二氧化碳资源化利用技术领域。

背景技术

现代社会的快速发展消耗了大量的珍贵的化石燃料能源(煤、石油、天然气等)，产生了大量的温室气体二氧化碳进入到大气，由此引发了温室效应等一连串迫在眉睫的全球气候环境问题。将二氧化碳进行还原转化生成高附加值的精细化学品或能源燃料，既可以“变废为宝”、减少二氧化碳的排放，又可以将可再生能源如电能转化为高能量密度的能源燃料储存，具有重要的科学价值和现实意义。

目前，主要的二氧化碳的还原技术主要包括：热能加氢催化还原法、电化学能加氢还原法、光能催化加氢还原法和水热还原法等。

二氧化碳催化加氢还原成有机物是二氧化碳资源化利用最成熟的技术，它是通过加昂贵的氢源氢气，在高温高压的条件下，使氢和二氧化碳分子在过渡金属催化剂活性表面发生氧化还原反应来生成高附加值的化工产品。氢气作为一种稳定且容易燃烧的气体，在其生产、运输以及储存过程中会消耗额外的能量。且采用清洁能源作为原料会导致能源的浪费。同时，该法所采用的催化剂多为复合催化剂或贵金属催化剂如Pd，Rh，Ir和Ru，在气相反应中也容易产生积碳，造成催化剂的毒化，使得制作工艺复杂或者使用成本较高。电化学加氢还原法主要是一种克服CO₂/CO₂^－的高还原电化学电位的有效方法之一，通过电化学加氢还原法得到的产物以C1化合物为主，高于两个碳的有机化合物难以生成或产物的法拉第效率不高，且氢气还原过程为其主要的竞争反应。光催化加氢还原法是利用光线使半导体催化功能材料吸收光能并刺激光生电子和光生空穴的产生，从而直接或间接地与二氧化碳反应生成有机化合物的一种方法。光催化加氢还原法是直接使用光能并且不需要其它形式的能量，可以说是二氧化碳加氢还原的最佳的方法，制约着光催化加氢还原法实际应用的关键问题是它的还原效率太低。

目前，水热由于其独特的优势，正在迅速成为化学，环境，材料，能源等各个领域最热门的技术之一，其广泛用于精细化学品的合成和晶体合成控制，特别是合成多孔纳米材料。水热反应还用于生物降解塑料废物处理，塑料回收，煤炭液化和生物废物处理。通过这些实际应用，可以看出，水热技术在环保和能源转化领域具有独特的优势和自身的优异特点，具有很大的潜力和广阔的实际应用前景。且水热技术效率高，可实现大批量合成。水热反应具有低的介电常数、高的离子积、高的等温压缩性和能加速酸碱催化反应等一系列的优点，将水热反应技术与二氧化碳还原相结合必将开辟一个新的资源化转化方向。与此同时，高温高压水作为原位氢源，利用廉价的金属粉末从水中置换出原位氢从而与二氧化碳反应得到有机物，因此不需要外加昂贵的氢源，避免了氢气的存储运输等一系列问题。由于该催化反应的过程是发生在水相体系，解决了之前气相加氢还原过程中金属催化剂表面活性位点容易生成积碳而导致催化剂的快速失活的缺点。因此，利用水热技术处理二氧化碳还原来获得高附加值的有机物质具有非常广泛的研究意义。

目前的水热法还原二氧化碳的报道中其主要产物大多为C1化合物，如甲酸、甲烷和甲醇等，两个碳以上的化合物比较困难。因此，将二氧化碳转化成长链烷烃是一个需要努力突破的方向。

发明内容