[发明专利]一种双功能催化剂应用于烟道气中CO2

说明书

本申请公开了一种应用于烟道气中CO₂捕获‑甲烷化一体化的双功能催化剂，以Ni基为主催化剂，以CaO基为主载体，利用添加助剂、模板剂、耐高温元素等三项因素共同促进和改善双功能催化剂的CO₂捕获量、催化活性和循环稳定性。本申请提供一种成本低、能耗小、可持续循环的CO₂捕获‑甲烷化一体化的双功能催化剂，且该催化剂具有高的CO₂捕获量15.5mmol/g，循环1000h仍保持99％的CO₂转化率和100％的CH₄选择性。

技术领域

本申请涉及催化剂技术领域，尤其是涉及一种应用于烟道气中CO₂捕获-甲烷化一体化的双功能催化剂及其制备方法。

背景技术

工业革命以来，以全球变暖为主要特征的气候变化严重威胁着人类的生存环境以及社会经济的可持续发展。减少温室气体排放、抑制全球变暖进程成为全球应对气候变化的核心举措。世界各国以全球协约的方式减排温室气体(以CO₂为主)，我国由此提出碳达峰目标和碳中和愿景。目前已有很多关于碳捕获和封存(CCS)技术的研究，但在CCS的实际应用中存在技术、能源和成本等难题。例如，碳捕获技术存在吸脱附过程，而传统的吸附剂再生步骤需要消耗更多的能量(CO₂的脱附过程)。此外，现有的CCS技术还存在以下两方面问题：1.运输捕获的CO₂基础设施不足；2.CO₂存储技术不够成熟。而在CO₂捕获-转化一体化(CCU)技术中，烟道气中的CO₂被吸附剂捕获后，无需经过耗能耗时的变温、变压的再生过程，在同一反应器中，H₂的存在下直接转化为甲烷或一氧化碳。

常见的CO₂中高温捕获材料以CaO基吸附剂为主。中国发明专利(CN109453782A)公布了一种用于CaO恒温下循环捕获CO₂并甲烷化的催化剂Ni/CaO。在500-600℃反应条件下，循环60次后，催化剂保持96％的CO₂捕获能力和95％的CH₄选择性，但产物中仍有CO生成。为进一步提升双功能催化剂的捕获、转化和循环稳定性能，研究者们在后续的工作中添加助催化剂，如Co、Ce、Mn等添加物。中国发明专利(CN 112569739 A)公开了一种烟道气中CO₂高温捕集和原位转化为合成气的系统和方法。以石油化工乙烯裂解过程产生的CO₂为案例，综合考虑了烟道气中较高的温度、低的CO₂分压(7％～12％)和排放量随原料气波动大等特征。此外，该发明专利还提供了一种具备CO₂吸附和催化双功能的CaO基复合材料，其中，Fe₅Co₅CaO表现出最佳的CO₂捕集量9.2mol/kg，CO₂转化率在80～90％之间，CO选择性接近100％，但是该催化剂未经长时间测试其捕获-转化循环稳定性能。中国发明专利(CN112138654A)公布了一种用于CO₂加氢甲烷化反应的催化剂，以TiO₂、ZrO₂、MgO为载体，Pt、Ru等为活性组分，掺杂不同助催化剂。Ru作为活性组分，Re作为助添加剂时表现出最佳的CO₂转化率(99％)和CH₄选择性(100％)。综合以上的相关研究，一方面由于贵金属价格昂贵，制备催化剂成本高，不适合大规模工业化生产应用；另一方面是上述体系中催化剂的循环稳定性较差，CaO烧结导致捕获CO₂的能力迅速降低。

发明内容

本申请提供一种应用于烟道气中CO₂捕获-甲烷化一体化的双功能催化剂及其制备方法。