[发明专利]用于二氧化碳甲烷化反应的纳米金属镍催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及用于二氧化碳甲烷化反应的纳米金属镍催化剂及制备方法。催化剂组成为xNi‑(MgO)y/ZrO₂，x＝3.1‑12.2％，y＝0.125‑1；将镍离子、镁离子、柠檬酸和乙二醇按照一定的摩尔比称取试剂并溶于去离子水中配制成混合溶液，将混合溶液浸渍于ZrO₂载体，然后络合、干燥、煅烧得到以ZrO₂为载体的催化剂前驱体；将前驱体装入固定床反应器中，进行还原处理；ZrO₂转化为单一晶型的单斜相ZrO₂。本发明催化剂活性组分镍含量低，在CO₂甲烷化反应中表现出优异的低温催化性能，并在长时间高温高空速运行的过程中保持稳定，而且制备过程简单，可操作性强，适用于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种高活性且稳定的纳米金属镍催化剂的制备方法和应用，属于金属催化剂的技术领域。特别是用于二氧化碳甲烷化反应的纳米金属镍催化剂及制备方法。

背景技术

近年来，由于过量的碳排放引起的温室效应愈发严重。其中，二氧化碳(CO₂)的排放约占总排放量的82％。根据世界银行的数据，每年人均CO₂排放量为4.9吨。自工业化以来，大气中的CO₂浓度不断增加，由280ppm增加到了399ppm。国际气候变化委员会预测表明，到2100年，CO₂浓度将会达到570ppm^[1-3]。由此可见，采取合理的方式控制CO₂的排放刻不容缓。目前，用于减排的技术主要有CO₂的捕集^[4]、分离^[5]、存储^[6]以及回收利用^[7]。其中，CO₂的回收利用在减少碳排放的同时，实现了CO₂的资源化利用，一举两得。

相比于化石燃料的燃烧，可再生能源的燃烧更为清洁高效，利用可再生能源替代化石能源，可有效减少碳排放。然而，以风能、太阳能为主的可再生能源具有季节性。旺季过剩导致能源浪费，而淡季却供应不足，电力供需的不匹配迫切需要高效的储能技术。过量的可再生能源可以通过电解水转化为氢气(H₂)，H₂由于具有较高的能量密度(9.7MJ/m³)^[8]而被认为是理想的储能物质^[9]。然而，基于氢存储和运输的风险，以碳氢化合物作为能量载体是最具潜力的途径之一^[8]。甲烷(CH₄)能量密度高(32.8MJ/m³)，且具备完善的运输分配系统，是理想的储能物质。

CH₄又称替代天然气(SNG)，可通过CO₂甲烷化反应合成。即采用高效合理的催化剂催化CO₂转化为CH₄。该反应路径一方面减少了碳排放，有利于控制全球气候变暖的趋势；另一方面，生成的CH₄为高效的储能物质，可以克服可再生能源的固有间歇性^[10]。通过电能和化学能的耦合，把局部过剩的可再生能源与温室气体CO₂结合转化为CH₄，可谓一举多得。

二氧化甲烷化反应，又称Sabatier反应：CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O，△H_298K＝-165.0KJ/mol，是强放热反应。该反应受温度影响很大，高温受平衡限制，不利于反应进行；低温不足以活化CO₂，同样不利于反应进行。反应中涉及到的主要反应如下：