CH 4 /CO 2 重整反应中金属Co、Fe、Cu掺杂改性的Ni催化剂表面结构对消碳性能的影响研究

发布时间：2020-12-30 21:30

　　CH4/CO2重整反应是煤洁净转化的重要反应之一，但是该反应使用的Ni基催化剂容易积碳，制约其工业化应用。积碳形成是一个复杂的过程，可概括为催化剂表面积碳的生成与消除共同作用的过程，若无法及时消除积碳，吸附碳就会在催化剂表面迁移并聚集，进而使催化剂失活。对于积碳的生成，目前研究普遍认为CH4解离是积碳的主要来源。对于积碳的消除，实验和理论研究表明来自于CO2直接解离和H助解离产生的含氧中间体O和OH物种充当积碳的消除剂，能够有效地消除积碳。因此，O和OH物种与吸附碳的反应是积碳消除的关键步骤。金属掺杂改性的Ni基双金属合金催化剂具有优良的催化性能和强的抗积碳能力，其中，NiM（M=Co, Cu, Fe）合金是目前广泛研究的非贵金属双金属催化剂。反应气氛和温度等会影响双金属合金催化剂中各活性组分的分布，改变催化剂的表面结构，表面结构的改变进而会影响重要中间体的吸附性质、C与消碳物种O和OH的反应以及催化剂的消碳性能。因此，本文采用密度泛函理论计算方法，结合已有的实验表征结果，构建了NiM均相和偏析的表面模型，深入探究第二活性组分金属M的引入和NiM合金表面结构对C，O，OH，CO和COH... 

【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校

【文章页数】：102 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
4/CO₂重整反应">    1.1 CH₄/CO₂重整反应
    1.2 重整反应中催化剂的积碳问题
        1.2.1 积碳的来源
        1.2.2 积碳的形态
    1.3 提高 Ni 基催化剂抗积碳性能的方法和策略
        1.3.1 控制反应条件
        1.3.2 调控活性组分颗粒大小
        1.3.3 调节金属-载体相互作用
        1.3.4 构建金属掺杂改性的合金结构
    1.4 消除积碳的策略和方法
        1.4.1 O 和 OH 消碳的实验研究
        1.4.2 O 和 OH 消碳的理论研究
    1.5 NiM（M=Co, Fe, Cu）合金催化剂催化活性和抗积碳性能的研究现状
        1.5.1 NiM（M=Co, Fe, Cu）合金活性组分的实验研究
        1.5.2 NiM（M=Co, Cu, Fe）合金的理论研究
        1.5.3 合金的偏析现象
        1.5.4 第二活性组分 M 的表面偏析对催化剂的催化活性和抗积碳性能的影响
    1.6 积碳消除研究中存在的问题
    1.7 本文的研究内容、目的和意义
第二章 理论基础
    2.1 密度泛函理论
    2.2 交换相关能简介
        2.2.1 LDA 近似
        2.2.2 GGA 近似
        2.2.3 杂化泛函
        2.2.4 其它泛函近似
    2.3 赝势方法
    2.4 过渡态理论
    2.5 VASP 软件包
第三章 催化剂模型及计算方法
    3.1 引言
    3.2 单金属催化剂模型
    3.3 计算方法
    3.4 模型层数及计算参数验证
    3.5 NiM（M=Co, Fe, Cu）双金属 Ni 基合金催化剂模型
        3.5.1 NiM 均相模型
        3.5.2 NiM 偏析模型
    3.6 本章小结
第四章 NiM 合金表面结构对 C+O（OH）消碳反应相关物种吸附的影响
    4.1 引言
    4.2 单金属 M（111）（M=Ni, Cu, Co）和 Fe（110）表面上消碳反应相关物种的吸附
    4.3 NiM 合金表面上消碳反应相关物种的吸附
        4.3.1 C 的吸附
        4.3.2 O 的吸附
        4.3.3 OH 的吸附
        4.3.4 CO 的吸附
        4.3.5 COH 的吸附
    4.4 NiM 合金结构对 C, O, OH, CO 和 COH 物种吸附的影响
第五章 NiM 合金活性组分及其表面结构对 C+O（OH）消碳反应的影响
    5.1 引言
    5.2 C/O（OH）的共吸附
        5.2.1 单金属 M（111）（M=Ni, Cu, Co）和 Fe（110）表面
        5.2.2 合金 NiCo（111）表面
        5.2.3 合金 NiFe（111）表面
        5.2.4 合金 NiCu（111）表面
    5.3 单金属 M（111）（M=Ni, Cu, Co）和 Fe（110）表面上的 C+O（OH）反应
    5.4 NiM 表面结构对 C+O（OH）反应的影响
        5.4.1 NiCo（111）表面上的 C+O（OH）反应
        5.4.2 NiFe（111）表面上的 C+O（OH）反应
        5.4.3 NiCu（111）表面上的 C+O（OH）反应
        5.4.4 NiM 合金结构对 C+O（OH）消碳性能影响的分析
    5.5 反应温度对 C+O（OH）消碳性能的影响
    5.6 本章小结
第六章 总结和展望
    6.1 本文总结
    6.2 创新点
    6.3 工作不足与建议
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文


【参考文献】：
期刊论文
[1]Nickel ferrite spinel as catalyst precursor in the dry reforming of methane:Synthesis,characterization and catalytic properties[J]. Rafik Benrabaa,Hamza Boukhlouf,Axel Lfberg,Annick Rubbens,Rose-Nelle Vannier,Elisabeth Bordes-Richard,Akila Barama.  Journal of Natural Gas Chemistry. 2012(05)
[2]镍基双金属催化剂上甲烷脱氢反应的密度泛函理论[J]. 范琛,朱贻安,周兴贵.  化学反应工程与工艺. 2012(02)
[3]金属载氧体的积碳特性研究[J]. 路遥,金晶,陈磊,何丹丹,蔡灿稳.  煤炭学报. 2012(02)
[4]A DFT theoretical study of CH4 dissociation on gold-alloyed Ni（111）surface[J]. Hongyan Liu1,2,Ruixia Yan1,Riguang Zhang1,Baojun Wang1,Kechang Xie1 1.Key Laboratory of Coal Science and Technology of Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China;2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi Datong University,Datong 037009,Shanxi,China.  Journal of Natural Gas Chemistry. 2011(06)
[5]镍前驱体对非负载型镍催化剂上甲烷分解活性的影响[J]. 张微,葛庆杰,徐恒泳.  催化学报. 2010(11)
[6]阶跃升温分解法对非负载型镍催化甲烷分解活性的影响[J]. 张微,葛庆杰,徐恒泳.  催化学报. 2010(09)
[7]Effects of CO2 content on the activity and stability of nickel catalyst supported on mesoporous nanocrystalline zirconia[J]. M.Rezaei,S.M.Alavi,S.Sahebdelfar.  Journal of Natural Gas Chemistry. 2008(03)
[8]Effect of calcination temperature on structure and performance of Ni/TiO2-SiO2 catalyst for CO2 reforming of methane[J]. Sanbing Zhang~(1,2) Jiankang Wang~(1,2) Xiaolai Wang~(1*) 1.State Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences Lanzhou 730000,Gansu,China; 2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China.  Journal of Natural Gas Chemistry. 2008(02)
[9]水蒸汽对Ni/Ce-Zr-Al-Ox催化剂上CO2-CH4反应积碳的影响[J]. 李春林,伏义路.  物理化学学报. 2004(S1)
[10]一碳化工产品及其发展方向[J]. 刘昌俊,许根慧.  化工学报. 2003(04)



本文编号：2948330