基于FeWO_x/SiO_2载氧体的甲烷化学链部分氧化反应（英文）

甲烷具有价格低廉且储量丰富的优点,因此将甲烷转化为合成气(一种H_2:CO为2的混合物),从而进一步合成有价值的化学品和液体燃料引起了人们的极大关注.化学链甲烷部分氧化(CLPOM)技术能避免甲烷与空气直接接触而引起爆炸的危险,可以降低后续对合成气与氮气分离操作所带来的费用,因此日益受到关注.CLOPM过程主要分为两步:第一步,CH_4被载氧体所携带的氧部分氧化,载氧体被还原;第二步,利用氧化剂(例如空气)将被还原的载氧体再氧化恢复.因此,载氧体在CLOPM过程中起到至关重要的作用.载氧体的选择主要存在两个问题:(1)甲烷被活化所产生含碳产物的能力与晶格氧的给氧能力不匹配所带来的严重碳沉积;(2)金属离子间扩散速率不匹配而造成载氧体在氧化还原过程中结构的不可逆变化.基于上述两个问题,本文设计了FeWO_x/SiO_2载氧体用于CLPOM.与未改性的WO_3/SiO_2载氧体相比,甲烷的转化率和合成气的收率都有显著提高.FeWO_x/SiO_2在900°C、1 atm反应条件下表现出62%的甲烷转化率、93%的CO气相选择性、94%的H_2选择性和2.4的H_2/CO比值,同时在50个循环中表现出优异的催化活性和稳定性.本工作利用CH_4脉冲反应研究了FeWO_x/SiO_2的甲烷表面反应过程;采用CH_4-TPR和H_2-TPR相结合探究了甲烷活化速率与晶格氧扩散速率之间的关系;通过XPS和XRD对FeWO_x/SiO_2在氧化还原过程中的结构稳定性进行了探讨.综合上述实验结果,对FeWO_x/SiO_2应用于CLPOM的反应机理进行了阐述.H_2-TPR结果表明,在FeWO_x/SiO_2中,相较于Fe_2O_3/SiO_2,Fe-O的活性受到抑制,使其更倾向于与甲烷发生部分氧化反应;相较于WO_3/SiO_2,W-O的活性得到明显提升,因此更多的晶格氧可以参与到部分氧化反应中来氧化积碳,从而使合成气收率大幅度提升.从CH_4-TPR结果可以看出,对于FeWO_x/SiO_2,CO与H_2的生成温度最接近,意味着晶格氧的传输速率较快并且能够与甲烷活化产生含碳中间物种的速率相匹配,将其及时氧化生成CO,避免由于积碳造成的催化剂失活.结合XPS和XRD结果可以得出,在甲烷还原过程中,FeWO_x经历一步还原形成Fe-W合金,由于其间存在强相互作用,因而抑制了还原过程中催化剂相分离现象的发生.同时,根据铁钨离子在空气条件下扩散速率的公式计算可以得出,其相近的离子氧化速率也保证了在氧化过程中催化剂结构的稳定性.本工作为进一步构建用于甲烷化学链部分氧化制合成气的复合金属氧化物载氧体提供了研究思路.     

CaO/MgO负载的钙钛矿型氧化物用于甲烷化学链蒸汽重整（英文）

甲烷化学链蒸汽重整(Chemical-looping steam methane reforming,CL-SMR)是基于化学链燃烧的概念而提出的一种新颖的技术。在重整反应器中,甲烷与载氧体中的晶格氧发生部分氧化反应生成合成气(H_2/CO物质的量比为2.0),还原后的载氧体进入到水蒸气反应器中,与水蒸气反应恢复晶格氧的同时生成H2。以钙钛矿型氧化物LaFeO_3为载氧体用于甲烷化学链蒸气重整过程,同时通过碱金属CaO和MgO对LaFeO_3进行负载,以增大载氧体的比表面积、热稳定性和抗积炭能力。通过X射线衍射(XRD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、BET比表面积分析(BET)和X光电子能谱(XPS)对载氧体进行表征。结果表明,三种载氧体均表现出较高的反应活性和合成气选择性,循环后仍能保持钙钛矿的结构。从反应性能、选择性和抗积炭能力等方面综合考虑,LaFeO_3-CaO的效果最好,五次循环后具有很好的再生性     

用晶格氧为氧源的甲烷部分氧化制合成气

 采用热重分析技术在甲烷气氛下考察了储氧材料Fe2O3提供晶格氧的过程，用甲烷／氧切换反应和在线质谱检测方法研究了以Fe2O3晶格氧代替气相氧用于甲烷部分氧化制合成气的可能性．结果表明，Fe2O3在甲烷气氛下的还原过程包括Fe2O3→Fe3O4和Fe3O4→FeO→Fe，甲烷被氧化为CO2和H2O．在750℃下进行的CH4／O2切换反应结果表明，首先，约25％的CH4与Fe2O3中的晶格氧反应，生成CO2和H2O，然后，生成的CO2和H2O与剩余的约75％的CH4在Ni／Al2O3催化剂上进行蒸汽重整和C\r\nO2重整，从而按燃烧－重整机理实现甲烷部分氧化制合成气．选择合适的CH4／O2切换条件，可使甲烷高转化率、高选择性地生成合成气．     

CeO_2/LaFeO_3用于甲烷化学链重整制取合成气反应性能研究

甲烷化学链重整是一种利用载氧体(金属氧化物)的部分氧化能力以实现甲烷重整制取合成气的工艺,同时氧化过程中利用水蒸气氧化,还原态的载氧体在恢复晶格氧的同时分解水蒸气制氢。利用溶胶-凝胶法制备载氧体CeO_2/LaFeO_3,通过X射线粉末衍射和程序升温还原等材料表征方法分析该载氧体的结构特点以及供氧能力,借助于固定床反应实验探讨了组分比例、反应温度对该载氧体反应性能的影响。实验结果表明,CeO_2的含量对该载氧体的供氧能力有着显著影响,合适的反应温度不仅有利于甲烷活化,而且能够促进载氧体中晶格氧的迁移,从而提高载氧体的选择性。当CeO_2的添加量为10%,反应温度为850℃时,该载氧体的反应性能最优,甲烷转化率可以达到94%,H_2选择性和CO选择性分别可以达到90%、83%。在连续的氧化-还原循环中保持稳定的反应性能和结构。     

用于部分氧化甲烷制合成气的铈基氧载体性能表征

将稀土氧化物CeO2中的晶格氧用于熔融盐体系下甲烷部分氧化制取合成气的新方法,采用浸渍法制备了负载型铈基氧载体,利用XRD、O2-TPD、H2-TPR分析手段对氧载体进行了表征.在甲烷气氛下进行了CeO2的热重实验.在熔融盐反应器中分别考察了添加1%TiO2和MgO两种不同助剂对10?O2-Al2O3负载型氧载体反应性能的影响.结果表明,CeO2容易失去晶格氧被还原为低价态铈的氧化物,同时把甲烷部分氧化成H2和CO,有着良好的循环使用性能.助剂的添加能够明显改善氧载体的反应活性,其中以添加MgO比较理想.     

甲烷在Ni/TiO2催化剂表面的活化

考察了Ni/TiO2催化剂甲烷部分氧化和二氧化碳重整制合成气的反应活性,实验表明,以TiO2为载体的镍系催化剂对于甲烷部分氧化制合成气反应具有较好的活性,尤其对H2的选择性较高,对二氧化碳重整制合成气反应具有较好的低温反应活性.采用脉冲-质谱在线分析等技术,在无气相氧条件下向Ni/TiO2催化剂脉冲CH4,发现甲烷在催化剂表面的活化（转化）及其氧化产物的选择性与金属催化剂表面氧的浓度密切相关.CH4与Ni/TiO2催化剂作用过程中存在明显的氢溢流和氧溢流现象,可能是这种溢流效应使得Ni/TiO2催化剂具有良好的反应活性和抗积碳性能.     

钙钛矿型La0.8Sr0.2FeO3中的晶格氧用于甲烷选择氧化取合成气

用自燃烧法制备了钙钛矿型La0.8Sr0.2FeO3催化剂。用H2－TPR考察了催化剂表面的氧消耗过程，用程序升温表面反应（TPSR）研究了甲烷与催化剂表面氧物种的反应，用在线质谱脉冲反应和甲烷／氧切换反应研究了催化剂的晶格氧选择氧化甲烷制合成气。结果表明，催化剂上存在两种氧物种，无气相氧存在时，强氧化性氧物种首先将甲烷氧化为CO2和H2O；而后提供的氧化性较弱的晶格氧具有良好的甲烷部分氧化选择性，可将甲烷氧化为合成气CO和H2（选择性可达95％以上）。在900℃一的CH4／O2切换反应结果表明，甲烷能与La0.8Sr0.2FeO3中的晶格氧反应选择性地生成CO和H2，失去晶格氧的La0.8Sr0.2FeO3能与气相氧反应恢复其晶格氧。在合适的反应条件下，用La0.8Sr0.2FeO3催化剂的晶格氧化替分子氧按Redox模式实现甲烷选择氧化制合成气是可能的。     

钙钛矿型La0.8Sr0.2FeO3中的晶格氧用于甲烷选择氧化制取合成气

 用自燃烧法制备了钙钛矿型La0．8Sr0．2FeO3催化剂．用H2－TPR考察了催化剂表面的氧消耗过程，用程序升温表面反应（TPSR）研究了甲烷与催化剂表面氧物种的反应，用在线质谱脉冲反应和甲烷／氧切换反应研究了催化剂的晶格氧选择氧化甲烷制合成气．结果表明，催化剂上存在两种氧物种，无气相氧存在时，强氧化性氧物种首先将甲烷氧化为CO2和H2O；而后提供的氧化性较弱的晶格氧具有良好的甲烷部分氧化选择性，可将甲烷氧化为合成气CO和H2（选择性可达95％以上）．在900℃下的CH4／O2切换反应结果表明，甲烷能与La0．8Sr0．2FeO3中的晶格氧反应选择性地生成CO和H2，失去晶格氧的La0．8－Sr0．2FeO3能与气相氧反应恢复其晶格氧．在合适的反应条件下，用La0．8Sr0．2FeO3催化剂的晶格氧代替分子氧按Redox模式实现甲烷选择氧化制合成气是可能的．     

铈铁复合氧化物制备及其甲烷选择性氧化制合成气催化性能

用共沉淀法制备了CeO2-Fe2O3氧载体。在固定床反应器中研究了氧载体中晶格氧部分氧化甲烷的反应,并用空气为氧源进行了氧载体还原-氧化再生循环实验,通过XRD,O2-TPD,H2-TPR等手段对氧载体进行了表征。结果表明,CeO2-Fe2O3氧载体中的体相晶格氧适于部分氧化甲烷制合成气。新鲜的氧载体上存在二种氧：有强氧化性的吸附氧（包括弱吸附分子氧和表面晶格氧）和高选择性的体相晶格氧。在高温条件下（800℃）,CeO2-Fe2O3氧载体在消耗掉吸附氧后能均匀地释放出体相晶格氧将甲烷高选择性的氧化为CO和H2。循环实验表明,可以通过循环来提高合成气的选择性,经长时间的循环CeO2-Fe2O3氧载体上有CeFeO3出现,但其并未对选择性造成不利影响。     

Rh／SiO2催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应

 利用程序升温脱附、程序升温还原、程序升温表面反应、程序升温反应和化学捕获反应等手段，对Rh／SiO2催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应进行了研究．结果表明，Rh／SiO2催化剂上甲烷部分氧化制合成气机理属于热解－氧化反应机理．甲烷首先在催化剂上发生解离吸附，产生具有不同H／C比的化学吸附物种CHx（x＝1～3）．其中，具有较高H／C比的CHx可能是甲烷部分氧化反应的活性物种，而具有较低H／C比的CHx可能是催化剂上积碳并导致催化剂失活的来源．活性物种CHx在活性氧物种的作用下，生成含氧中间体物种CHxO或继续脱氢．含氧中间体物种进一步分解，即生成CO和H2；CO2也可由CHx或CHxO物种进一步氧 化生成．     

Mechanistic study of partial oxidation of methane to syngas using in situ time-resolved FTIR and microprobe Raman spectroscopies

In situ time-resolved Fourier transform infrared (FTIR) and microprobe Raman spectroscopies were used to characterize the reaction mechanisms of the partial oxidation of methane to syngas over SiO(2)- and gamma-Al(2)O(3)-supported rhodium and ruthenium catalysts. The interaction of both pure methane and a methane/oxygen mixture at a stoichiometric feed ratio with an oxygen-rich catalyst surface led to the formation of CO2 and H(2)O as the primary products. For the H(2)-pretreated samples, the reaction mechanisms with the catalysts differ. Only Rh/SiO(2) is capable of catalyzing the direct oxidation of methane to syngas, while syngas formation over Rh/gamma-Al(2)O(3), Ru/SiO(2), and Ru/gamma-Al(2)O(3) can be achieved mainly via a combustion-reforming scheme. The significant difference in the mechanisms for partial oxidation of methane to syngas over the catalysts can be correlated to the differences in the concentration of oxygen species (O(2-)) on the catalyst surface during the reaction, mainly due to the difference in the nature of the metals and supports.     

核壳结构催化剂Cr-Zn@SiO2@SAPO-34催化合成气直接转化制低碳烃的性能

合成气直接转化高选择性制烃类产物仍是巨大的挑战.本文合成了以Cr-Zn氧化物为核, SiO2为中间过渡层,再通过原位水热合成覆盖一层SAPO-34分子筛为壳的核壳结构催化剂.合成气转化反应结果显示,与纯Cr-Zn金属氧化物相比,核壳结构催化剂将产物分布由甲醇和甲烷移动至C2–C4烃(所有烃类产物中占66.9%).这表明核壳结构催化剂用于合成气一步法直接转化制液化石油气的反应具有可行性,但是催化剂结构和组成有待于进一步优化,以提高其催化反应性能.     

自放热条件下甲烷部分氧化制合成气

天然气组成的９０％以上是甲烷．目前由天然气制合成气的主要方法是水蒸汽重整法,这种方法投资大、设备复杂、能耗高、生产的合成气不适于直接用来合成甲醇和烃类等．甲烷部分氧化可直接制得Ｈ２与ＣＯ摩尔比为２的合成气,这是一个温和的放热过程、具有大空速和低温等优...     

Na-W-Mn/SiO2催化剂表面甲烷脉冲反应Ⅱ. 多组分Na、 W、 Mn/SiO2催化剂

制备了多组分Na,W,Mn/SiO2催化剂，在ITD（Ion Trap Detector)装置上进行了催化剂表面晶格氧脱附前后的甲烷恒温脉冲反应（CH4－CTPR）。研究结果表明，Na-W/SiO2催化剂表面晶格氧，具有较高的CH4转化率和C2烃选择性，并对C2H6的生成起着重要的作用，Na-Mn/SiO2催化剂表面晶格氧，也具有较高的CH4转化率和C2烃选择性，但对C2H6的形成有一定的诱导期；W－Mn/SiO2催化剂表面晶格氧，对CH4的转化和CO2的生成具有很高初活性，但对C2烃的选择性较低；Na-W-Mn/SiO2催化剂表面晶格氧，具有很高的CH4转化率和C2烃定向选择性，这是由于Na,W,Mn各组分协同作用的结果。     

铈基复合氧化物中晶格氧用于甲烷部分氧化制合成气

采用共沉淀法制备了Ce-M-O氧载体（M＝Fe、Mn、Cu）,并进行了XRD表征。研究了Ce-M-O中晶格氧部分氧化甲烷制合成气的反应。考察了再生时间、再生温度对氧载体部分氧化甲烷性能的影响。研究结果表明, Ce-Fe-O固溶体中的晶格氧适于部分氧化甲烷制合成气。在新鲜的Ce Fe O氧载体上存在少量的强氧化物种,导致开始阶段大部分甲烷被完全氧化,然后该氧载体能均匀地释放出具有高选择性的体相晶格氧将甲烷氧化为CO和H2。通过对氧载体再生条件的控制,可以有效提高目标产物的选择性,当再生温度为850℃,再生时间为7min时, 获得了最大的CO（96.68%）和H2（97.56%）选择性,同时H2与CO摩尔比达到2.02。在无气相氧存在下,用Ce-Fe-O中晶格氧实现甲烷部分氧化制合成气的方法是可行的。     

Product oriented oxidative bromination of methane over Rh/SiO2 catalysts

Rh/SiO2 was prepared for the oxidative bromination of methane. The catalyst was prepared by calcination at different temperatures and for different times to obtain catalysts with different specific surface areas for the purposes of producing either CH3Br or CH3Br and CO. It was found that the catalyst having a low specific surface area (calcined at relatively high temperature) favors the selective oxidation of methane to prepare CH3Br, while the catalyst having a high specific surface area favors the deeper partial oxidation of methane, which is good for CH3Br and CO preparation. The 650 h on stream life-time test revealed that the catalytic performance of the 0.4Rh/SiO2--900-10 catalyst was excellent. Both methane conversion and CH3Br selectivity kept increasing trends during the life-time test. No matter how serious was the Rh leaching during the reaction, the 0.4Rh/SiO2--900-10 catalyst did not deactivate at all.     

Product oriented oxidative bromination of methane over Rh/SiO_2 catalysts

Rh/SiO2 was prepared for the oxidative bromination of methane. The catalyst was prepared by calcination at different temperatures and for different times to obtain catalysts with different specific surface areas for the purposes of producing either CH3Br or CH3Br and CO. It was found that the catalyst having a low specific surface area (calcined at relatively high temperature) favors the selective oxidation of methane to prepare CH3Br, while the catalyst having a high specific surface area favors the deeper partial oxidation of methane, which is good for CH3Br and CO preparation.The 650 h on stream life-time test revealed that the catalytic performance of the 0.4Rh/SiO2-900-10 catalyst was excellent.Both methane conversion and CH3Br selectivity kept increasing trends during the life-time test.No matter how serious was the Rh leaching during the reaction,the 0.4Rh/SiO2-900-10 catalyst did not deactivate at all.     

Dual-Bed Catalytic System for Direct Conversion of Methane to Liquid Hydrocarbons

A dual-bed catalytic system is proposed for the direct conversion of methane to liquid hydrocarbons. In this system, methane is converted in the first stage to oxidative coupling of methane (OCM) products by selective catalytic oxidation with oxygen over La-supported MgO catalyst. The second bed, comprising of the HZSM-5 zeolite catalyst, is used for the oligomerization of OCM light hydrocarbon products to liquid hydrocarbons. The effects of temperature (650-800℃), methane to oxygen ratio (4 10), and SiO2/Al2O3 ratio of the HZSM-5 zeolite catalyst on the process are studied. At higher reaction temperatures, there is considerable dealumination of HZSM-5, and thus its catalytic performance is reduced. The acidity of HZSM-5 in the second bed is responsible for the oligomerization reaction that leads to the formation of liquid hydrocarbons. The activities of the oligomerization sites were unequivocally affected by the SiO2/Al2O3 ratio. The relation between the acidity and the activity of HZSM-5 is studied by means of TPD-NH:j techniques. The rise in oxygen concentration is not beneficial for the C5 selectivity, where the combustion reaction of intermediate hydrocarbon products that leads to the formation of carbon oxide (CO CO2) products is more dominant than the oligomerization reaction. The dual-bed catalytie system is highly potential for directly converting methane to liquid fuels.     

CeO2、CaO助剂对甲烷部分氧化制合成气Ni/MgOAl2O3催化剂结构和性能的影响

采用BET、H2 TPR、XRD、TEM和活性评价等表征手段，考察了CeO2、CaO助剂对Ni/MgOAl2O3催化剂物化性质和甲烷部分氧化制合成气反应性能的影响。实验结果表明，单独加入CeO2或CaO助剂可以改善Ni/ MgOAl2O3催化剂中镍物种的还原性能，以CaO尤为明显；CaO作为结构助剂可以降低还原态催化剂中的镍晶粒尺寸，使改性的催化剂具有较好的活性，而CeO2对催化剂的活性未产生显著影响。当CeO2与CaO两种助剂同时对Ni/MgOAl2O3进行改性时，虽然催化剂中镍物种的还原性能没有发生明显变化，但仍具有很好的反应性能，这与CeO2与CaO能够形成CaO-CeO2固溶体有关。CaO-CeO2固溶体不仅与镍物种间存在相互作用，提高了镍物种的分散度、减小了镍晶粒尺寸，还可以提高催化剂的储氧能力和晶格氧的流动性，从而有利于改善其甲烷部分氧化反应性能。     

Studies on the Performance and Structure of Supported Catalysts for the Partial

The catalytic properties of several supported metal catalysts on different carriers were studied in the partial oxidation of methane (POM) to syngas. In our experiment, supported noble metal catalysts exhibited better performance than the other supported transition metal catalysts. The catalyst performances were significantly influenced by the d-electron configuration of the active metal components and the dispersion of active metal components on the support. A catalyst with a moderate number of unpaired electrons in the d-orbital of the active metal support without obvious acidity or redox activity (e.g. MgO) was suitable for POM performance. The Rh/SiO2 catalyst was the best in the POM reaction, among those investigated. Reaction conditions apparently also affected the POM performance of the catalyst. The conversion of methane and the selectivity for CO increased with the reaction temperature, and a high CH4/O2 ratio was not beneficial for POM performance.