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【6h】

介质阻挡氢等离子体制备CH4-CO2重整Ni/Al2O3催化剂

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摘要

引言

1 文献综述

1.1 二氧化碳的转化与利用

1.1.1 CO2热催化转化

1.1.2 CO2电化学催化

1.1.3 CO2光催化

1.2 甲烷的利用

1.2.1 甲烷部分氧化

1.2.2 甲烷水蒸汽重整

1.2.3 甲烷自热重整

1.2.4 甲烷二氧化碳重整

1.3 甲烷二氧化碳重整催化剂研究进展

1.3.1 贵金属催化剂

1.3.2 镍基催化剂

1.3.3 镍基催化剂失活研究

1.4 等离子体技术制备催化剂研究

1.4.1 等离子体简介

1.4.2 低温等离子体在催化剂制备中的应用

1.4.3 低温等离子体在制备负载型金属催化剂中的应用

1.4.4 低温等离子体在制备Ni/Al2O3催化剂中的应用

1.5 研究目的与内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

2 实验部分

2.1 原料和试剂

2.2 常规催化剂制备过程

2.3 介质阻挡放电等离子体辅助制备Ni/γ-Al2O3催化剂

2.4 甲烷二氧化碳重整反应

2.5 催化剂表征

2.5.1 X射线衍射(XRD)

2.5.2 氮吸附(N2 adsorption)

2.5.3 热重分析(TG-DTG)

2.5.4 氢气程序升温还原(H2-TPR)

2.5.5 二氧化碳程序升温脱附(CO2-TPD)

2.5.6 氨气程序升温脱附(NH3-TPD)

2.5.7 透射电镜(TEM)

3 放电功率对催化剂性能的影响

3.1 放电功率对催化剂形貌的影响

3.2 XRD分析

3.3 H2-TPR分析

3.4 空速对甲烷二氧化碳转化率的影响

3.5 温度对甲烷二氧化碳转化率的影响

3.6 放电功率对催化剂性能的影响

3.7 本章小结

4 常规方法和等离子体方法制备催化剂的比较

4.1 XRD分析

4.2 N2吸附分析

4.3 CO2-TPD分析

4.4 NH3-TPD分析

4.5 C-700和P-80样品的活性比较

4.6 C-700和P-80样品的稳定性比较

4.7 镍粒径分析

4.8 TEM分析

4.9 催化剂的积炭分析

4.10 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

甲烷和二氧化碳对温室效应的贡献约占4/5,因此如何降低其排量或合理有效利用这两种气体对于降低温室效应具有重要的意义。CH4-CO2重整反应,作为制氢的重要途径,不仅可同时利用这两种温室气体,而且制得合成气的H2/CO比接近1,是直接合成长链碳氢化合物的重要原料。贵金属催化剂和镍基催化剂均可以作为CH4-CO2重整反应的催化剂,然而贵金属催化剂价格昂贵,因此开发廉价的高稳定性镍基催化剂对CH4-CO2重整过程的工业应用有重要的意义,而等离子体技术在制备负载型金属催化剂方面具有很大的优势,本文将试图采用介质阻挡氢等离子体制备高稳定性的镍基催化剂。
  本文采用H2作为放电气体,利用介质阻挡放电低温等离子体对Ni(NO3)2/γ-Al2O3催化剂前驱体进行原位处理,从而制备出用于CH4-CO2重整反应的Ni/γ-Al2O3催化剂。主要考察了放电功率对Ni/γ-Al2O3催化剂的结构和催化性能的影响。结果显示,放电功率对催化剂的结构和性能具有显著影响。通过XRD和H2-TPR等表征发现,当放电功率低于40 W时,等离子体只能将Ni(NO3)2分解为NiO,随着放电功率的提高,Ni/γ-Al2O3催化剂的还原度提高;温度为700℃,空速为54,000 mL/h·gcat时,在CH4-CO2重整反应中,放电功率为80 W下制备得到的Ni/γ-Al2O3催化剂具有较好的活性和稳定性,进一步提高放电功率会导致催化剂性能的降低。
  对等离子体方法制备的Ni/γ-Al2O3催化剂与常规方法制备的Ni/γ-Al2O3催化剂进行结构和催化性能研究。N2吸附、XRD和CO2-TPD等表征结果显示,等离子体方法制备的催化剂具有较大的比表面积、较小的孔径、较好的单质Ni分散度、较多的碱性位和较弱的强碱中心。在700℃,空速为54,000 mL/h·gcat时,等离子体方法制备的催化剂具有较好的活性、稳定性和抗积碳性能,32 h反应后,其CH4和CO2转化率比常规方法制备的催化剂分别高11%和16%,反应32 h后的催化剂的积碳量仍低于常规方法制备的催化剂反应6h后的积碳量。通过TG、TEM和XRD等表征发现,等离子体方法制备的Ni/γ-Al2O3催化剂较高的活性和稳定性主要归结于较小的Ni颗粒和高度分散性。催化剂的失活和积碳量的增加主要是由Ni颗粒尺寸增加所致。

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