自組裝燃燒法合成銅基氧載體在化學(xué)鏈中的應(yīng)用.pdf

1、由于全球范圍內(nèi)礦石燃料的大規(guī)模使用，導(dǎo)致CO2等溫室氣體的大規(guī)模排放，溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重。我國能源使用量的70％由煤炭提供，碳減排壓力與日俱增，CO2捕集和儲存(CCS)技術(shù)被視為 CO2減排的重要手段。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是一種新型的燃燒方式，在燃料反應(yīng)器中燃料做還原劑，氧載體中的活性成分（金屬氧化物）被還原為單質(zhì)或低價態(tài)的氧化物；在空氣反應(yīng)器中空氣中的氧氣做氧化劑，將氧載體中被還原的活性成分氧化為高價態(tài)的氧化物。借助氧載體在兩個反應(yīng)器之間的

2、循環(huán)，實現(xiàn)氧氣和熱量由空氣反應(yīng)器向燃料反應(yīng)器的傳遞。避免了空氣與燃料的接觸，因而具有內(nèi)分離二氧化碳的特性，并且將傳統(tǒng)的燃燒過程分為兩部氧化還原反應(yīng)，實現(xiàn)了能量的階梯利用，是一種綠色高效的燃燒方式。
　　在化學(xué)鏈燃燒技術(shù)中氧載體起著關(guān)鍵作用，本課題組采用密度泛函理論(DFT)系統(tǒng)的研究了CLOU過程中Cu基氧載體的釋氧機理，包括氧載體內(nèi)部晶格氧原子的擴散、遷移和動力學(xué)行為等。從微觀角度獲得氧載體反應(yīng)性信息，并在此基礎(chǔ)上研究幾種典型負(fù)

3、載的添加對活性組分 CuO的物理化學(xué)性質(zhì)影響，進(jìn)而從理論角度為合理設(shè)計、優(yōu)化制備氧載體提供指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上采用自組裝模板燃燒法制備出一種具有核殼結(jié)構(gòu)的Cu基氧載體Cu O@TiO2-Al2O3，該氧載體具有載氧率高，反應(yīng)活性好的特點。
　　本文首先在熱重分析儀上研究了 CuO@TiO2-Al2O3氧載體與 H2的反應(yīng)過程，同時與一種高性能的CuO/CuAl2O4氧載體做對比，CuO@TiO2-Al2O3氧載體在50個循環(huán)過程中表現(xiàn)

4、出很好的反應(yīng)性和穩(wěn)定性。并且發(fā)現(xiàn)氧載體中Cu的氧化路徑為：Cu→Cu2O→CuO，首先是Cu氧化為Cu2O，然后Cu2 O吸氧變?yōu)镃uO，該過程中Cu2 O吸氧同時受氧分壓和惰性載體的影響。
　　在小型流化床反應(yīng)器上研究了氣體燃料與 CuO@TiO2-Al2O3氧載體之間的CLC反應(yīng)性能以及三種不同煤階的煤與該氧載體之間的CLOU反應(yīng)性能。在CLC實驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，氧載體與氣體燃料的反應(yīng)速率隨之增高，樣品CuO@TiO

5、2-Al2O3的轉(zhuǎn)化速率更高更穩(wěn)定，并且十個循環(huán)中的還原轉(zhuǎn)化速率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)隨循環(huán)次數(shù)的衰減。在CLOU實驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高和煤階的降低，反應(yīng)速率明顯加快，氧載體與煤的反應(yīng)分為揮發(fā)分的燃燒和煤焦的燃燒兩個階段，煤焦的燃燒是還原反應(yīng)的速率限制步驟，在高溫下褐煤與氧載體反應(yīng)容易產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象。在與高平煤的20個CLOU循環(huán)過程中，氧載體表現(xiàn)出良好的反應(yīng)性和穩(wěn)定性。
　　在小型流化床上研究了溫度和流化氣速等對 C