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1、毕 业 论 文题目 CO2重整铈镁助剂氧化物催化剂的制备及性能研究 学 生: 何 超 学 号: 201202020519 院 (系): 材料科学与工程学院 专 业: 无机非金属材料科学 指导教师: 张 超 武 2016 年 5 月 7 日摘要甲烷二氧化碳重整制取富含一氧化碳合成气的反应不仅可为天然气资源的合理利用及缓解温室气体排放量提供有效的解决途径。 镍基催化剂对甲烷二氧化碳重整反应有良好的催化活性,且镍不是贵金属,催化剂成本低廉,具有广阔的应用前景。但镍基催化剂存在易积碳、易烧结等缺点,使用寿命短,极大地阻碍了其工业化应用进程。参考其他积炭量的测试结果表明,添加助剂显著地改变了Ni催化剂的
2、抗积炭性能,其优劣顺序为Mg0-CeOZCeOZLa20,无助剂Mg0。可见双助剂的作用十分突出。本文采用采用共沉淀法制备Mg1- xCexNiAl11O 19+催化剂。通过对氧化铈掺杂比例、烧结时间、烧结温度温度等参数进行优化,得到了比表面积较高的复合氧化物载体。用扫描电镜(SEM)表征了所得载体的表面结构;用扫描电子显微镜能谱仪(EDS)测定载体及催化剂中各元素的含量;用X一射线衍射(XRD)对样品的物相结构进行了分析。 结果表明:制备复合氧化物载体时,氧化铈掺杂比例,焙烧时间及温度均能影响复合氧化物的比表面积。碱土金属Mg能够增强催化剂Ni的稳定性和碱性,并且降低Ni离子的还原性,助剂M
3、g还可以减少水气逆转反应。 CeO2一 Mg0双助剂催化剂可提供独特的金属一载体作用方式,以及表现出强烈的电子相互作用,这可能是它具有最佳抗积炭性能的重要原因。催化剂中固溶体的形成往往有利于提高催化活性,原因可能是具有高的比表面积和高度缺陷的表面结构。关键词:镍基催化剂;甲烷二氧化碳重整;六铝酸盐催化剂;铈镁助剂1. 引言1引言添加碱土、稀土氧化物提高甲烷化催化剂及烃类水蒸汽重整催化剂的活性和稳定性,改善催化剂的抗积炭性能1-5 。虽然它们的作用机理尚不十分清楚,但一般认为碱土、稀土氧化物对Ni/AlZO。催化剂有助分散作用,并且通过改变金属一载体间的相互作用,抑制镍晶粒的长大、金属镍的氧化和
4、NiA120尖晶石的生成和影响催化剂对反应物的吸附性能。有文献报道,La20,与镍作用主要以包埋效应体现,而CeO,主要以电子效应体现”。许多研究表明,催化剂的抗积炭性能不仅取决于它的化学组成,而且也取决于各组份的添加顺序。因为这将直接影响活性组份的分布及不同组份间的相互作用程度。通常用分步浸渍法可制得性能优良的催化剂,即先将助剂负载于A1,0,上,然后再引人活性组份镍。2.天然气重整制合成气的研究背景 能源是科技和经济发展的生命源泉。随着现代化学工业和人类社会活动的迅猛发展,能源的利用和结构调整是世界各国关注的热点问题,其选择受到经济增长、国家以及全球环境、甚至跨国政治联盟的影响。目前世界能
5、源和化学工业有85%以上是建立在石油、煤碳和天然气这三种可燃性矿物资源的基础上。世界上己经探明的可获得的化石燃料包括约1万亿吨煤、1万多亿桶石油和150万亿立方米天然气f1。除了上述这些,还有大约三百万吨铀储备。全世界目前每年用掉370艾焦耳以上的能量,这相当于170亿桶石油。大约95%这些能量来自化石燃料,包括44%的石油,26%的天然气,25%的煤,其它的2.5%的水力发电,2.6%来自核能和其他可再生能源(3。这样,随着煤、石油可开采量的不断减少,能源结构也随之不断发生变化。据统计19%年前十年间全球石油储量连续下跌,而天然气的探明储量则大幅度提高。预计到2020年,天然气将在世界能源结
6、构中的比例上升到60%,而原油将下降到20%。随着石油资源的日益匾乏,天然气将有可能在本世纪取代石油成为主要的化工原料。针对目前的能源现状,国内外都加快了天然气的开发和利用。 众所周知,二氧化碳被认为是引起温室效应,导致全球性气候恶化的主要原因之一。二氧化碳在地下有广泛的储存,这些二氧化碳可以直接开采利用。而大气中的CO2主要还是来源于化石燃料的排放。据统计,人类向大气中排放的二氧化碳正以每年4%的速度递增。在1980到2001年间,世界石油、煤和天然气消耗分别相应增长了22, 27和71%。结果伴随化石燃料的消耗和燃烧,二氧化碳排放量从5亿增加到了6.6亿吨。部分国家近年人均二氧化碳排放量:
7、美国5.26吨,加拿大3.97吨,德国2.89吨,乌克兰2.43吨,意大利1.81吨,澳大利14.19吨,俄罗斯3.08吨,英国2.62吨,日本2.39吨,伊朗1.09吨,印度0.24吨,我国也达到了0.71吨,这不仅会使世界平均温度升高,而且会带来更多地环境事件,如干早、暴风等,给生态、农业生产以及人类健康造成严重的影响(s。但限制二氧化碳的排放在很大程度上将影响现代工业和世界经济的发展(6。因此如何有效地利用二氧化碳也引起了世界各国的广泛关注。因此,综合利用天然气和二氧化碳不仅可以合理利用自然界丰富的天然气与二氧化碳资源,而且可以缓解二氧化碳排放引起的温室效应问题,对减轻环境的恶化具有重要
8、的作用。3. 1研究现状 甲烷二氧化碳重整是一个强吸热过程( CH4 + CO 2CO + 2H2,H298 = 248 kJ/mol) ,反应过程中需要提供大量的能量; 是间接利用天然气和煤 层气 CH4 资源的有效途径之一。 甲烷化反应 首先是 CO 和 H2 吸附于催化剂表面,关键一步是氢分 子离解成具有活性的 H. 催化剂表面较少的活性位点只 能吸附少量的 CO 和 H2,从而造成催化剂催化活性不 高,而活性组分担载量的增加能在一定程度上增加催化 剂表面的活性吸附位数及催化剂表面离解和吸附 H 的 活性位的数量,从而提高催化剂的活性. Czekaj 等113 提出了 Ni/Al2O3催
9、化剂的结构模型(图 3),Ni 物种通过 与 Al2O3载体之间的相互作用力而负载于 Al2O3上,Ni 物种包括未被还原的 NiO、反应一段时间后生成的 Ni3C 和还原生成的 Ni,活性 Ni 越多吸附的 CO 和 H2越多, 离解产生的活性 H 也越多,因此催化剂催化活性越高. 图 1 Ni/Al2O3催化剂结构及 CO 甲烷化过程中的选择性反应 与 CH4 的水蒸气 重整和部分氧化工艺相比 CO2 重整 CH4 生产出的 “贫氢”合成气V( CO) /V( H2) = 1可直接用作羰 基合成反应的原料气,在直接合成二甲醚的工艺中 也具有明显的优势。在 F T 合成中,它适于更高 附加值
10、的长链烃类或含氧化合物的合成。通常,负 载 h、 u、 Pd 和 Pt 等催化剂对 CO2 重整 CH4 反应 具有较高的活性和稳定性,但由于其资源有限,价格 昂贵,不利于在工业上应用。目前认为,负载型 Ni 催化剂和 Co 基催化剂是最有希望在 CO2 重整 CH4 反应中获得应用的催化剂。然而大多数催化剂 因极易积碳而失活,故寻求高活性和抗积碳催化剂一直是 CO2 重整 CH4 反应研究的重要方向。催化剂的制备方法、制备条件不同,催化剂的性 能会呈现较大的差异,对其重整活性和抗积碳性有 很大影响。在许多情况下,催化剂的各种物理特性, 如表面积、粒度、孔隙、孔径大小、孔径分布以及晶体 结构,
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