[发明专利]一种催化甲烷直接转化制氢的方法

说明书

本发明提供一种催化甲烷直接转化制氢的方法，所述方法包括在微波辐照和催化剂存在下催化甲烷直接转化制氢，所述催化剂为MoO₃/TiC催化剂或Mo₂C/TiC催化剂。本发明的催化剂能与微波很好的匹配，催化剂表现出良好的升温性能，且催化剂制备过程简单，应用于甲烷直接转化制氢反应中表现出良好的催化性能，不仅甲烷的转化率较高，催化剂的稳定性也很好。本发明中在微波辐照下催化甲烷直接制氢，使反应温度更低，能量消耗更少，甲烷转化率更高，催化剂稳定性更好，且甲烷直接转化理论上可产生的更多的氢气。该反应中没有CO_x气体产生，减少产物中氢气的分离难度，符合经济观和绿色发展观，具备很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化技术领域，尤其涉及一种催化甲烷直接转化制氢的方法。

背景技术

随着非常规天然气开采技术的发展，美国率先爆发了页岩气革命，使得天然气的产量大幅上升，改善了美国的能源结构，减少了美国能源压力。我国非常规天然气的开采虽然起步较晚，但是近几年的发展速度也很快，以涪陵页岩气为代表，在2020年，涪陵页岩气田将新增探明储量1000亿方，产量达到70亿方。这些发展使得人们高度关注天然气的使用。天然气绝大部分都是用于燃烧，燃烧很难完全发挥天然气的价值，因此人们研究天然气的很多其他用途，目的主要是将天然气中的甲烷转换为更加富有价值的其他产物。

甲烷转换主要分为间接转换和直接转换。间接转换是通入水蒸气或者二氧化碳等与甲烷转换为一氧化碳和氢气，再将一氧化碳和氢气转化为乙醇等高附加值的产品，间接转换的缺点是要消耗大量的能量并且工艺复杂。直接转换不需要其他的反应物质，直接将甲烷转换为氢气和烃类等物质，从理论上来讲，甲烷直接转换可以产生更多的氢气，具有潜在的经济效益，没有CO_x气体产生，减少产物分离的难度。随着燃料电池的发展，不含一氧化碳等酸性气体的氢气需求量越来越大，而甲烷直接转换恰好可以满足要求。除电池行业外，甲烷直接转换产生的氢气，还可以直接用于内燃机的使用。

现有关于甲烷直接转换制氢方面的专利和文章提到的一些典型例子，但仍然有各自的问题与不足之处：

中国专利CN110227462A公开了一种用甲烷直接催化裂解制氢的催化剂及其制备方法，所述的甲烷制氢催化剂以MO/CNFs为载体负载活性组分Ni，其中各组分的重量份为：Ni元素10～50，MO_y 5～70，CNFs 2～45；其制备方法为将MO_y和经过预处理的CNFs加入镍盐水溶液中，然后加入碱液调节pH值为6～8，搅拌后静置，得到的沉淀物经过滤、洗涤、干燥，即得。此方法催化剂的制备过程复杂，得到的催化剂稳定性能也不是很好，在300min左右催化剂就开始在慢慢失活。

中国专利CN104627960A公开了一种改性赤泥催化甲烷裂解制氢的方法，是用无机酸溶液对赤泥进行浸泡处理，过滤后得到透明滤液，再用碱对滤液进行中和沉淀，对沉淀过滤洗涤干燥后煅烧还原，研磨成粉末，得到一种用于催化甲烷裂解的催化剂。此方法主要缺点是反应温度较高，甲烷转化率较低。

中国专利CN106865498A公开了一种以炭材料为催化剂制备氢气和纤维碳的方法，其特征在于：所述方法以含有甲烷和氢气的混合气为原料，以炭材料为催化剂，于600～1200℃、常压下反应，其中氢气占混合气总流量的1％～90％。此方法的缺点是甲烷转化率低(10％)。

综上所述，甲烷直接转换制氢主要存在耗能高和催化剂易失活等问题，研究长时间甲烷高转化裂解制氢的方法仍然是一个极具挑战的难题。

发明内容

甲烷是一个高度对称的正四面体结构，其C-H键能达435kJ/mol，将甲烷活化需要大量的能量，一般要在高温条件下(1000℃)。微波具有加热快，加热均匀等优点，还有大量的研究表明微波加热对一些化学反应具有降低活化能的优点，因而我们将微波应用于甲烷直接转化换制氢的反应中，以减少能量的损耗。