氧化锆担载镍甲烷干重整催化剂的载体形貌效应（英文）

发布时间：2019-04-26 18:05

【摘要】：煤层气是储量十分丰富的煤炭伴生资源,也是煤炭开采中最大的安全隐患之一,同时还是重要的温室气体.研究煤层气的高效、清洁资源化利用具有资源和环境双重意义.因此,世界主要产煤国均十分重视煤层气的开发和利用.煤层气的主要成分是甲烷,目前主要通过两种方式实现其资源化利用:(1)直接转化,主要通过氧化偶联、催化氧化官能团化或脱氢芳构化等途径将其转化为高碳烃、含氧化合物及芳烃等;(2)间接转化,甲烷首先经催化重整反应制取合成气,而后再经Fischer-Tropsch合成、甲醇化和氢甲酰化等过程来合成饱和烃、烯烃、甲醇及其他含氧化物.对于前者,由于热力学限制,反应收率很低,应用前景较差,而经由合成气这一平台产物的间接转化路线被认为是一条甲烷资源化利用颇具工业前景的转化路线.因此,甲烷催化重整制合成气备受关注.研究表明,贵金属具有较好的甲烷重整催化性能,但其储量有限、价格昂贵的内在缺陷不利于甲烷大规模转化和资源化利用.Ni基催化剂具有与贵金属可比的催化活性和选择性,且其储量丰富,价格低廉,因此在甲烷重整反应中备受青睐.但是,相对于贵金属,Ni基催化剂易于积碳和烧结失活,这已成为制约其大规模工业化应用的瓶颈.迄今,大量文献报道关注如何提高Ni基催化剂的催化稳定性.而载体形貌调控是调节负载型催化剂的有效途径.本文开展了用作载Ni催化剂的氧化锆载体的形貌调控研究,以期可以有效调节载Ni催化剂的物化性质,进而调控载Ni催化剂的甲烷重整催化性能.采用水热法成功制备了松球状和鹅卵石状的单斜相氧化锆载体,进一步负载镍,制备了载镍催化剂,用于甲烷重整制合成气反应.具有分级结构的松球状氧化锆载Ni催化剂(Ni/ZrO_2-ipch)展示出比鹅卵石状氧化锆和常规氧化锆纳米粒子载Ni催化剂显著好的催化活性和稳定性.采用XRD、N_2吸附、TEM、H_2-TPR、CO化学吸附、CO_2-TPD、XPS和TGA等手段研究了松球状氧化锆载Ni催化剂高催化活性和稳定性的原因和机制.发现,其较高的催化活性主要归因于高的Ni分散度、改善的可还原性、促进的氧流动性以及较多的碱性位和较强的碱性,这些物化性质依赖于氧化锆载体的独特形貌.分级结构的松球状氧化锆载Ni催化剂高的甲烷重整催化稳定性主要源于催化剂的高抗烧结、抗积碳性能.加强的金属载体效应和介孔限域效应可以阻止金属Ni的高温烧结,而优良的抗积碳稳定性主要源于催化剂良好的氧流动性、较多的碱性位、较强的碱性以及小的Ni粒子尺寸.鉴于分级结构松球状氧化锆载Ni催化剂高的催化活性和优良的抗积碳、抗烧结稳定性,该催化剂用于甲烷重整制合成气具有广阔前景.而所制备的分级结构松球状氧化锆由于具有独特的结构和优良的热稳定性,可以作为性能优良的载体用于其他反应,尤其对于高温转化过程可望表现出明显优势.
[Abstract]:Coalbed methane (CBM) is a rich coal-associated resource, and also one of the biggest security risks in coal mining, as well as an important greenhouse gas. It is of great significance to study the high efficiency and clean resource utilization of coalbed methane (CBM). Therefore, the main coal-producing countries in the world attach great importance to the development and utilization of coalbed methane. The main component of coalbed methane is methane, which is mainly utilized in two ways at present: (1) direct conversion, mainly through oxidative coupling, catalytic oxidation functionalization or dehydroaromatization, and so on, which can be converted into high carbon hydrocarbons, such as: (1) direct conversion, mainly through oxidative coupling, catalytic oxidation functionalization or dehydroaromatization, etc. Oxygen-containing compounds and aromatic hydrocarbons; (2) indirect conversion of methane to syngas via catalytic reforming, and then synthesis of saturated hydrocarbons, alkenes, methanol and other oxides by Fischer-Tropsch synthesis, methanation and hydroformylation. For the former, due to thermodynamic limitation, the yield of the reaction is very low and the application prospect is poor. However, the indirect conversion route through syngas, which is a platform product, is considered to be a promising conversion route for the utilization of methane resources. Therefore, catalytic reforming of methane to syngas has attracted much attention. The results show that precious metals have good catalytic activity for methane reforming, but their reserves are limited. The expensive intrinsic defects are not conducive to the large-scale conversion and resource utilization of methane. Ni-based catalysts have comparable catalytic activity and selectivity with precious metals, and have abundant reserves and low price. Therefore, Ni-based catalysts are very popular in methane reforming reaction. However, compared with precious metals, Ni-based catalysts are prone to carbon deposition and sintering deactivation, which has become the bottleneck of its large-scale industrial application. Up to now, a large number of literature reports have focused on how to improve the catalytic stability of Ni-based catalysts. The regulation of carrier morphology is an effective way to regulate the supported catalyst. In order to regulate the physicochemical properties of Ni-supported catalysts and to regulate the catalytic performance of Ni-supported catalysts for methane reforming, the morphology of Zirconia carrier as catalyst was studied in this paper in order to effectively regulate the physicochemical properties of Ni-supported catalysts. The monoclinic zirconia support with loose spherical and cobbled shape was successfully prepared by hydrothermal method. Nickel-supported catalysts were prepared for methane reforming to syngas reaction. The loose spherical zirconia-supported Ni catalyst (Ni/ZrO_2-ipch) with graded structure showed significantly better catalytic activity and stability than the cobbled zirconia and conventional zirconia nanoparticles supported Ni catalysts. The reason and mechanism of high catalytic activity and stability of loose spherical zirconia supported Ni catalyst were studied by means of XRD,N_2 adsorption, TEM,H_2-TPR,CO chemisorption, CO_2-TPD,XPS and TGA. It is found that the higher catalytic activity is mainly due to the high dispersion of Ni, improved reducibility, enhanced oxygen fluidity, more basic sites and stronger alkalinity. These physicochemical properties depend on the unique morphology of zirconia support. The high catalytic stability of the Ni catalyst with graded structure is mainly due to the high sintering resistance and carbon deposition resistance of the catalyst. The catalytic stability of the catalyst for methane reforming is mainly due to its high sintering resistance and carbon deposition resistance. The enhanced metal carrier effect and mesoporous limiting effect can prevent the sintering of metal Ni at high temperature, and the excellent anti-carbon deposition stability is mainly due to the good oxygen fluidity, more alkaline sites, stronger alkalinity and smaller Ni particle size of the catalyst. In view of the high catalytic activity, excellent anti-carbon deposition and anti-sintering stability of Ni catalyst with graded structure loose spherical zirconia, the catalyst has broad prospects for reforming methane to syngas. Because of its unique structure and excellent thermal stability, the graded structure of loose spherical zirconia can be used as a good carrier for other reactions, especially for the high temperature conversion process.
【作者单位】： 大连理工大学化工与环境生命学部精细化工国家重点实验室;杭州师范大学材料化学与化工学院;
【基金】：financially supported by the Joint Fund of Coal, set up by National Natural Science Foundation of China and Shenhua Co., Ltd.(U1261104) the National Natural Science Foundation of China (21276041) the Program for New Century Excellent Talents in University (NCET-12-0079) the Natural Science Foundation of Liaoning Province (2015020200) the Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT15LK41) the Science and Technology Development Program of Hangzhou (20130533B14)~~
【分类号】：O643.36

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