铁基复合纳米催化剂的制备及其催化氨分解的研究

发布时间：2017-11-01 19:24

  本文关键词：铁基复合纳米催化剂的制备及其催化氨分解的研究

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【摘要】：目前,新能源的开发和利用已成为世界各国普遍关注的问题。氢是一种备受关注的二次能源载体,具有清洁、高效、可循环利用等优点。对于氢气的应用来说,直接用氢作为燃料无论是在储存方面还是运输方面都存在诸多问题,而在线制氢技术既能解决制氢问题,又能解决储氢问题,应用前景十分广阔。氨是一种富氢化合物,储氢密度高,易于运输,价格低廉,而且不含碳元素,从源头上杜绝了CO的产生,因而氨分解在线制氢受到人们广泛关注。目前对氨分解催化剂的研究主要包括贵金属催化剂和过渡金属催化剂两大类。贵金属催化剂催化活性高,对设备的耐腐蚀能力要求较高;过渡金属催化剂储量丰富,制备方法主要以浸渍法为主,在氨分解反应的高温反应条件下由于其稳定性较差,催化活性并不理想。因此,设计一种同时兼具高活性和高稳定性的催化剂具有重要的意义。铁基催化剂是人们研究较多的一类催化剂,研究发现铈作为助剂可以提高其催化活性和稳定性,因此本论文设计合成了一系列铁基复合纳米催化剂,并通过XRD、TEM、BET、ICP等技术对催化剂的结构进行表征,测试其氨分解活性,以期获得兼具高活性和稳定性的铁基催化剂。具体的工作内容如下：(一)利用溶剂热法成功合成了四氧化三铁纳米球,并利用不同的包覆方法成功制备了Fe-Ce和Fe-Ti复合纳米催化剂,将其应用于催化氨分解反应。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、原位X射线衍射(in situ XRD)、程序升温还原(TPR)和物理吸附仪(BET)等一系列表征手段对反应前和反应后的的催化剂样品进行了结构表征和原位测试表征。实验结果表明相比于纯四氧化三铁催化剂,包覆了二氧化铈的铁基复合纳米催化剂在温度为650℃空速为24,000cm3·gcat-1·h-1的反应条件下氨的转化率接近100%,并且在600℃长达60 h的稳定性测试中催化活性并没有衰减,具有较好的稳定性。单纯的四氧化三铁催化剂虽然活性组分的含量最高,但由于其在高温时不稳定,其活性最差,铈或钛的加入可以提高其高温稳定性以及催化活性。(二)通过调节铁的摩尔含量利用一步水热法制备了一系列Fe-Ce和Fe-La复合催化剂,利用元素分析(ICP-AES)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和物理吸附仪(BET)等技术手段对新制备的以及反应后的催化剂进行结构表征。通过元素分析(ICP-AES)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)表征发现铁成功的掺入到氧化铈和氢氧化镧的晶格中。将不同比例的Fe-Ce和Fe-La催化剂用于氨分解反应,实验发现,随着催化剂中铁含量的提高,催化活性逐步提高,当铁的摩尔含量达到15%时,再提高铁含量对催化剂的活性影响较小,并且随着铁含量的提高,反应后催化剂样品的颗粒尺寸增大。15%Fe-Ce和Fe-La复合催化剂与采用相同方法制备的纯铁的样品相比,催化活性相当,说明铈和镧的存在有利于提高活性物种的催化活性,并且在长达70 h的稳定性测试中催化剂的催化活性并未降低。
【关键词】：铁基复合纳米催化剂 氨分解反应 原位XRD
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要10-12
• Abstract12-14
• 第一章 绪论14-45
• 1.1 引言14-18
• 1.1.1 世界能源现状14
• 1.1.2 新型能源的优势与挑战14-18
• 1.1.2.1 甲烷的优势与挑战14-15
• 1.1.2.2 氢能的优势与挑战15-18
• 1.2 氨的性质18-19
• 1.3 氨分解反应19-22
• 1.3.1 氨分解反应的应用领域19-20
• 1.3.2 氨分解反应的关键步骤20-21
• 1.3.3 氨分解反应的热力学分析21-22
• 1.4 氨分解反应催化剂的研究现状22-35
• 1.4.1 钌基催化剂24-29
• 1.4.2 铁基催化剂29-31
• 1.4.3 镍基催化剂31-33
• 1.4.4 过渡金属氮化物和碳化物33-34
• 1.4.5 其他催化剂34-35
• 1.5 本论文的选题依据和研究内容35-36
• 1.5.1 选题依据35
• 1.5.2 研究内容35-36
• 1.6 参考文献36-45
• 第二章 Fe-Ce和Fe-Ti复合催化剂的制备及其催化氨分解的研究45-62
• 2.1 研究背景45
• 2.2 催化剂的制备45-47
• 2.2.1 实验试剂和仪器45-46
• 2.2.1.1 实验试剂45-46
• 2.2.1.2 实验仪器46
• 2.2.2 催化剂制备46-47
• 2.2.2.1 单分散四氧化三铁球的制备46-47
• 2.2.2.2 复合催化剂Fe_3O_4@CeO_2复合材料的制备47
• 2.2.2.3 复合催化剂Fe_3O_4@CeO_2复合材料的制备47
• 2.3 催化剂表征47-49
• 2.3.1 元素分析(ICP-AES)47-48
• 2.3.2 透射电子显微镜(TEM)48
• 2.3.3 X-射线粉末衍射(XRD)48
• 2.3.4 程序升温还原(H_2-TPR)48
• 2.3.5 原位粉末X-射线衍射(in situ XRD)48-49
• 2.3.6 比表面测试(BET)49
• 2.4 催化剂催化性能测试49-50
• 2.5 催化剂的性能研究50-57
• 2.5.1 催化剂的基本表征50-52
• 2.5.2 催化剂的结构52-53
• 2.5.3 催化剂的活性53-55
• 2.5.4 H_2-TPR和In situ XRD结果分析55-57
• 2.6 本章小结57-58
• 2.7 参考文献58-62
• 第三章 Fe-Ce和Fe-La复合催化剂的制备及其催化氨分解的研究62-85
• 3.1 研究背景62-63
• 3.2 催化剂的制备63-64
• 3.2.1 实验试剂和仪器63-64
• 3.2.1.1 实验试剂63
• 3.2.1.2 实验仪器63-64
• 3.2.2 催化剂制备64
• 3.2.2.1 Fe-Ce复合催化剂的制备64
• 3.2.2.2 Fe-La复合催化剂的制备64
• 3.3 催化剂表征64-66
• 3.3.1 元素分析(ICP-AES)64-65
• 3.3.2 透射电子显微镜(TEM)65
• 3.3.3 X-射线粉末衍射(XRD)65
• 3.3.4 原位粉末X-射线衍射(in situ XRD)65
• 3.3.5 比表面测试(BET)65-66
• 3.4 催化剂催化性能测试66
• 3.5 结果与讨论66-81
• 3.5.1 催化剂的ICP表征66-67
• 3.5.2 N_2吸脱附表征67-69
• 3.5.3 X-射线粉末衍射(XRD)69-70
• 3.5.4 新鲜催化剂的结构70-73
• 3.5.5 反应后催化剂的表征73-76
• 3.5.5.1 XRD表征73-74
• 3.5.5.2 TEM表征74-76
• 3.5.6 催化剂的活性76-79
• 3.5.7 In situ XRD结果分析79-81
• 3.6 本章小结81-82
• 3.7 参考文献82-85
• 第四章 总结与展望85-86
• 4.1 总结85
• 4.2 展望85-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录87-88
• 学位论文评阅及答辩情况表88

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本文编号：1128189