本技术涉及一种金属氧化物改性的高熵合金催化剂及其制备方法和应用领域。该催化剂基于X、Mg、Al混合金属氧化物作为载体,负载Ni、Ga、Cu、In、Zn等金属元素,形成具有高熵特性的合金结构。通过优化金属氧化物载体和合金元素的配比,实现催化剂性能的显著提升,适用于多种催化反应过程。
背景技术
随着工业化的进程,人类对化石能源过度的依赖使用,导致CO2
的排放越来越多,截止到2022年,大气中CO2
的浓度已经达到417ppm。为了实现双碳目标,一方面要减少CO2
的排放,另一方面则是要对CO2
进行有效的利用,比如将CO2
加氢转化为燃料或者其他化工原料。
二氧化碳的多相催化加氢可以产生多种有价值的燃料和化学品,如甲醇、甲烷、一氧化碳和乙醇、二甲醚(DME)、碳氢化合物(低碳烯烃、汽油、芳烃等)。其中,甲醇是一种重要的化工原料,同时也是很有发展前景的清洁燃料。因此,CO2
加氢合成甲醇是CO2
利用的最有效途径之一,在环保、化工和能源等诸多领域均具有重要意义。但由于CO2
具有化学惰性,CO2
分子难以活化。在热力学和动力学上,低温高压有利于甲醇的合成,过高的反应压力对反应器的设计提出考验,过低的反应温度,甲醇的反应速率减少,甲醇产量减少,经济性不高。因此,寻找合适的CO2
加氢催化剂,仍然是一个具有挑战的课题。
目前,CO2
加氢催化剂主要是上世纪开发的以合成气为基础制备甲醇工艺发展而来的。合成气制备甲醇工艺已经带来了不小的经济价值和环境价值,该工艺采用的商用Cu/ZnO/Al2
O3
催化剂通常由60wt%Cu、30wt%ZnO和10wt%Al2
O3
组成。耐火氧化物Al2
O3
作为结构促进剂,增加了Cu的分布,提高了催化剂的总表面积和机械稳定性,并且减少了催化剂的活性位点和高温下烧结的可能。在各种Cu基多组分催化剂中,ZnO作为典型的载体,同时起到Cu基催化剂的结构促进剂和电子促进剂的作用。一方面,ZnO作为CuNPs(纳米Cu颗粒)之间的几何间隔剂,改善了Cu的分散和Cu比表面积的暴露;另一方面,由于Cu和ZnO之间的金属/载体相互作用,ZnO调节了电子性质。例如:期刊文献AngewandteChemie,2015,127(15):4627-4631.报道了工业催化甲醇合成Cu/ZnO/Al2
O3
催化剂中,发现Cu和ZnO之间的强金属载体相互作用对催化剂的性能起着关键作用。
金属氧化物作为催化剂的载体,不仅可以有效的分散活性金属,避免增加活性金属的烧结,金属氧化物和活性金属的协同作用,使得部分金属氧化物还可以有效地调控反应物的活化、中间体的产生和产物选择性等。近年来,Ni基高熵金属间化合物催化剂作为CO2
加氢制备甲醇的一个潜在催化剂,逐渐受到研究者们的关注。高熵金属间化合物通常是由五种或者更多元素组成的有序合金,该催化剂能够形成丰富的表面活性位点,表现出优异的催化性能和热稳定性,且具有优秀的选择性,可以有效减少后续复杂的分离过程。
但上述CO2
加氢催化剂仍存在以下问题:商业催化剂选择性低,转化率较差,造成大量的能量浪费;高熵金属间化合物催化剂虽然选择性高,但是催化活性较低。
实现思路