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甲烷重整镍基催化剂制备及催化性能研究

作　者: 潘秉荣
导　师: 刘昭铁
学　校: 陕西师范大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 镍催化剂二氧化碳甲烷重整铈锆固溶体络合分解法
分类号: TQ032.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

天然气转化和利用已经成为一种新的能源途径,对于保障我国能源安全及解决环境污染问题具有重大的经济和现实意义。近年来,人们致力于将甲烷(天然气的主要成分)转化为高附加值的碳氢化合物,尤其是同时利用甲烷和二氧化碳两种“温室气体”催化重整制合成气是近几年来颇受关注的课题。甲烷、二氧化碳重整可以制备低H2/CO比的合成气(≤1),而低H2/CO比的合成气更适合生产甲醛、聚碳酸脂和乙醇等化工原料。虽然甲烷、二氧化碳重整具有环境和经济上的诸多优势,但工业上基于此重整反应的生产并不多。从生产成本和催化活性角度出发,镍基催化剂是最常用的催化剂,但甲烷、二氧化碳重整反应工业化的主要障碍之一是镍基催化剂的积炭问题。本论文以调控铈锆复合氧化物的结构和性质为目标,采用络合分解法制备了一系列CexZr1-xO2固溶体,选用等体积浸渍法制备了NiO/CexZr1-xO2型催化剂,通过BET、XRD、Raman、TG和TPR等手段分析了载体和催化剂的结构及性质。系统地考察了其催化CH4-CO2重整反应性能,并在最优催化剂上考察了甲烷三重整反应的催化性能。结果表明,以水杨酸作络合剂所制得Ce0.6Zr0.4O2负载12.5 wt.% Ni催化剂的活性和稳定性较好,并与催化剂的结构相关联。具体研究内容及主要结论如下：(1)通过对载体的TG、XRD、Raman和BET等表征数据分析,确定600℃作为金属配合物的焙烧温度。在600℃焙烧4 h,金属配合物已基本分解完全,形成了晶型规整的铈锆固溶体；在该温度下形成的铈锆固溶体具有最小的晶粒尺寸,作为催化剂的载体,具有适中的比表面积。(2)在较低反应温度、加压和高空速条件下通过CH4-CO2重整反应筛选催化剂,考察了反应空速和反应压力对CO2重整甲烷催化活性的影响。结果表明,反应压力和空速对反应的转化率和选择性都有不同程度的影响,其中压力影响更大。(3)考察了Ni引入方式、Ce/Zr比及Ni负载量对CO2重整甲烷催化活性的影响,确定了最佳催化剂。由水杨酸(S)制备的载体与NiO形成的催化剂(Ni/CZ-S)表现出较高的反应活性和稳定性；不同Ni引入方式和Ce/Zr比主要影响载体的氧化还原性能,进而影响NiO的还原行为；随着Ni含量提高,活性中心数量增多,这样即使在反应过程中积炭覆盖或氧化流失部分活性中心,仍能保持相对较高的反应活性和稳定性。(4)将最优催化剂应用于甲烷三重整反应,考察了空速和压力对甲烷三重整催化活性的影响。由于甲烷催化部分氧化反应(CPOM)的存在,空速对CH4转化率、H2收率和H2/CO影响较小,但是对CO2转化率影响相对较大；压力对三重整反应的转化率、H2收率和H2/CO影响显著,但当压力高于5 atm时,其影响相对减缓。(5)考察了原料气组成对甲烷三重整催化活性的影响。通过调变原料气比,在一定范围内,可以控制三重整反应生成的合成气H2/CO比(1.5～3.0之间)；在加压条件下,三重整反应中产生积炭仍制约着催化剂的使用寿命,其中CO歧化可能在该实验条件下占主导作用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 甲烷重整制合成气  11-15
    1.2.1 水蒸气重整甲烷  11-12
    1.2.2 二氧化碳重整甲烷  12-13
    1.2.3 催化部分氧化甲烷  13-14
    1.2.4 甲烷三重整反应  14-15
  1.3 催化剂研究进展  15-18
  1.4 选题依据及研究思路  18-20
第2章实验部分  20-26
  2.1 化学试剂  20
  2.2 载体制备  20-21
    2.2.1 络合分解法  20-21
    2.2.2 共沉淀法  21
  2.3 催化剂制备  21-22
    2.3.1 等体积浸渍法  21-22
    2.3.2 一步法  22
  2.4 载体与催化剂表征  22-23
    2.4.1 BET比表面积和孔结构  22-23
    2.4.2 XRD物相分析  23
    2.4.3 激光Raman光谱分析  23
    2.4.4 SEM形貌分析  23
    2.4.5 TPR分析  23
    2.4.6 TG/DTA分析  23
  2.5 催化剂评价  23-26
    2.5.1 催化剂评价装置与评价过程  23-24
    2.5.2 产物的定性分析  24-25
    2.5.3 定量计算方法  25-26
第3章 CH_4-CO_2催化重整性能研究  26-50
  3.1 焙烧温度的确定  26-29
  3.2 载体制备方法的影响  29-36
    3.2.1 催化剂的活性评价  29-31
    3.2.2 SEM形貌观察  31
    3.2.3 BET比表面积分析  31-33
    3.2.4 载体和催化剂XRD和Raman分析  33-34
    3.2.5 载体和催化剂的还原行为(H_2-TPR)  34-36
  3.3 Ni引入方式的影响  36-39
    3.3.1 催化剂的活性评价  36-37
    3.3.2 催化剂的XRD  37-38
    3.3.3 催化剂的还原行为(H_2-TPR)  38-39
  3.4 空速的影响  39-40
  3.5 反应压力的影响  40-41
  3.6 Ce/Zr的影响  41-46
    3.6.1 催化剂的活性评价  41-42
    3.6.2 BET比表面积分析  42-43
    3.6.3 载体和催化剂XRD分析  43-44
    3.6.4 载体和催化剂的还原行为(H_2-TPR)  44-46
  3.7 Ni负载量的影响  46-48
    3.7.1 催化剂的活性评价  46-47
    3.7.2 催化剂的XRD分析  47
    3.7.3 载体和催化剂的还原行为(H_2-TPR)  47-48
  3.8 本章小结  48-50
第4章 Ni/Ce_(0.6)Zr_(0.4)O_2上CH_4三重整反应性能研究  50-58
  4.1 引言  50
  4.2 12.5wt.%Ni/Ce_(0.6)Zr_(0.4)O_2催化剂的催化性能考察  50-56
    4.2.1 原料气比影响  50-52
    4.2.2 空速的影响  52-53
    4.2.3 压力的影响  53-55
    4.2.4 催化剂寿命  55-56
  4.3 本章小结  56-58
第5章结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64-66
攻读硕士学位期间的研究成果  66

甲烷重整镍基催化剂制备及催化性能研究

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