一种低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂及其制备方法

本发明属于光催化甲烷转化，具体涉及全光谱响应的负载型催化剂、制备方法及其在光热甲烷干重整转化领域的应用。

背景技术：

1、甲烷干重整反应（co2+ ch4→ 2co + 2h2）能够将co2和ch4温室气体催化转化为合成气（co和h2），在缓解温室效应和提供高价值化学原料方面具有双重优势。然而，co2和ch4都是热力学上极其稳定的分子，高键能和化学惰性使得其难以被活化。传统的甲烷干重整反应一般需要700oc以上的高温才有效能进行，苛刻的反应条件容易导致催化剂焦化、烧结和失活。

2、近年来，光热协同催化作为一项基于光催化和热催化耦合的技术，已被广泛应用于能源转化、环境净化等领域。众所周知，热催化技术能耗高且副反应较多、产物选择性差。光催化技术给予的初始能量有时未能有效激活目标反应。针对传统热催化和光催化各自存在的不足，光热协同催化有望实现低温范围内目标反应的激活，以获得较单一热催化或光催化更好的效果，从而实现低能耗、高效率的催化转化。光热催化甲烷干重整反应有望实现低能耗、高效率催化转化，是传统热催化的一种有效替代方式。然而，开发一种能够在温和的反应条件下高效运行且具有良好稳定性的甲烷干重整催化剂仍然是一个巨大的挑战。

3、目前，传统无机半导体光催化材料（tio2、zno、zro2等）存在光吸收能力差、载流子分离效率低等缺点，这严重限制了催化转化效率。金属氮化物因具有全光谱光吸收、独特的电子特性以及特殊的能带结构被认为是一类很有前景的光催化剂。然而，单一组分的金属氮化物光催化剂缺少相应的活性位点，用于活化co2和ch4分子。针对以上问题，本发明在具有全光谱响应的氮化钛（tin）表面进行助催化剂rh修饰，制得rh/tin催化剂，并将其应用于光热催化甲烷干重整反应。助催化剂rh可有效促进活化co2和ch4分子活化，提高光生载流子的分离效率，并强化表界面氧化还原反应的动力学过程，进而提高催化效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种全光谱响应光热催化剂、制备方法及其在甲烷干重整转化领域的应用。本发明所提供的rh/tin催化剂在光热协同的条件下有效降低甲烷干重整反应势垒，促进co2和ch4分子活化，能够在温和的反应条件下高效运行且具有良好稳定性。该催化剂的制备工艺简单、产率可观，具有良好的工业应用前景。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种用于低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂，其是将助催化剂rh负载于具有全光谱响应的氮化钛（tin）上制成，其中rh的负载量为0.1~3 wt%。

4、所述催化剂的制备方法是将商用二氧化钛粉末经高温氮化处理制得氮化钛粉末，利用浸渍-还原方法，将助催化剂rh负载于氮化钛表面，制得rh/tin催化剂；其包括以下步骤：

5、（1）将商用二氧化钛粉末于氨气气氛煅烧，制得黑金色氮化钛（tin）粉末；

6、（2）将氮化钛（tin）粉末分散于去离子水中，加入氯化铑水溶液搅拌均匀后，再加入含硼氢化钠的naoh溶液，制得rh/tin催化剂。

7、进一步地，步骤（1）中氨气的流量为100-200 ml·min-1。

8、进一步地，步骤（1）所述煅烧的温度为750-850 ℃、时间为6-10 h。

9、进一步地，步骤（2）中硼氢化钠的质量与金属rh的质量比值在1: 2 ~ 1: 20之间。

10、进一步地，步骤（2）中所述naoh溶液的浓度5 ~ 20 g·l-1之间。

11、所述催化剂可用于甲烷干重整反应。

12、本发明的显著效果在于：

13、（1）本发明利用高温氮化处理商用二氧化钛制备具有全光谱响应的氮化钛（tin）粉末，再通过表面担载rh助催化剂，制得rh/tin催化剂，其可在光热协同的条件下有效降低甲烷干重整反应势垒，促进co2和ch4分子活化，能够在温和的反应条件下高效运行且具有良好稳定性。

14、（2）本发明所涉及催化剂的制备工艺简单、产率可观，具有良好的工业应用前景。

技术特征：

1.一种低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂，其特征在于：所述催化剂是将助催化剂rh负载于氮化钛tin上制成。

2. 根据权利要求1所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂，其特征在于：助催化剂rh在tin上的负载量为0.1~3 wt%。

3.如权利要求1所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂的制备方法，其特征在于：商用二氧化钛粉末经高温氮化处理制得tin粉末，利用浸渍-还原方法，将助催化剂rh负载于tin表面，制得rh/tin催化剂。

4.根据权利要求3所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

5. 根据权利要求4所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中氨气的流量为100-200 ml·min-1。

6. 根据权利要求4所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述煅烧的温度为750~850 ℃、时间为6~12 h。

7. 根据权利要求4所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂制备方法，其特征在于：步骤（2）中所用硼氢化钠的质量与金属rh的质量比值在1: 2 ~ 1: 20之间。

8. 根据权利要求4所述的低温甲烷干重整的全光谱响应光热催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述naoh溶液的浓度在5 ~ 20 g·l-1之间。

9.一种如权利要求1所述催化剂在光热催化甲烷干重整反应中的应用，其特征在于：不使用外加热源的情况下，直接利用氙灯辐射催化剂，以进行甲烷干重整反应。

10. 根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述反应体系温度为350~650 ℃、光强为 1000~4000 mw·cm-1。

技术总结
本发明属于光催化甲烷转化技术领域，具体涉及全光谱响应的负载型催化剂、制备方法及其在光热甲烷干重整转化领域的应用。利用浸渍‑还原策略在全光谱响应类金属氮化钛（TiN）表面负载助催化剂Rh，制得Rh/TiN催化剂。该催化剂在模拟太阳光照下，可有效降低甲烷干重整反应能垒，促进甲烷和二氧化碳分子活化，实现高效的光热催化甲烷干重整效率。该光催化剂制备工艺简单，产率可观，并表现出优异的稳定性，在低温甲烷干重整等方面具有广阔的应用前景。

技术研发人员：王心晨,汪思波,苏波,张贵刚,侯乙东,陈雄
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29