太阳能甲烷重整中催化活性吸收体的表面特性

以AISI316泡沫金属为基体为太阳能甲烷重整反应制备出系列Ru基和Ni基催化活性吸收体(Ru/Al2O3/AISI316,Ni/Al2O3(MgO)/AISI316),着重利用XRD、TPR、TPD和CO2脉冲吸脱附等技术对所制整体式催化剂的表面特性进行了表征和分析.结果表明:以AISI316泡沫金属为基体可增加活性组分与涂层载体Al2O3的相互作用以及活性物种的分散度.对于Ni基催化活性吸收体,在涂层载体中添加MgO助剂可显著地提高Ni/Al2O3/AISI316的催化活性;Al2O3涂层载体含量的增加可提高活性组分NiO的分散性.相对Ni/Al2O3/AISI316,Ru/Al2O3/AISI316催化活性吸收体对CO2的吸附和活化能力更强,因而具有相对更高的催化活性.     

光辐照驱动CH4-CO2重整中Ni/MgO-Al2O3催化活性吸收体的活性

将等离子体还原法和常规焙烧还原法制备的Ni基催化剂用于制备太阳能催化活性吸收体,在氙灯模拟的太阳光聚光反应系统中,考察了其催化CH4-CO2重整反应活性.结果表明,等离子体还原法制备的Ni/MgO-A12O3催化活性吸收体的低温活性最高,在光辐照平均能流密度为61 kW/m2,空速36 dm3/(g·h),CH4和CO...     

镍-铁双金属催化剂在乙酸水蒸气重整制氢反应中的催化性能 --铁的互补作用和甲烷及CO生成的反应路径

本文研究了镍-铁双金属催化剂在乙酸水蒸气重整制氢反应中的催化性能。研究结果显示单金属铁催化剂对乙酸重整反应活性很低,但是对一氧化碳的中温变换反应有较好的催化性能。镍单金属催化剂对乙酸水蒸气重整制氢反应有非常好的初始催化活性,但是催化剂的长期稳定性很差。镍-铁复合催化剂的低温活性（623 K）和长期稳定性（100小时）都远好于单金属催化剂。这主要是因为铁的加入可以促进镍的分散,形成更多的表面活性位同时有助与防止镍的烧结。本研究也对乙酸重整反应中的两个主要气体副产物（一氧化碳和甲烷）的反应路径进行了分析。研究发现反应温度决定一氧化碳和甲烷的反应路径。673K是一个临界温度。低于此温度,甲烷的产生主要来自于一氧化碳和二氧化碳的甲烷化,而高于673K,甲烷主要来自于乙酸的直接裂解。对于一氧化碳副产物而言,低于673K其主要来自于乙酸的裂解或者不充分的水蒸气重整反应,而高于673K产生的一氧化碳则主要来自与逆水煤气变换反应。     

镍-铁双金属催化剂在乙酸水蒸气重整制氢反应中的催化性能——铁的互补作用和甲烷及CO生成的反应路径（英文）

我们研究了镍-铁双金属催化剂在乙酸水蒸气重整制氢反应中的催化性能.研究结果显示单金属铁催化剂对乙酸重整反应活性很低,但是对一氧化碳的中温变换反应有较好的催化性能.镍单金属催化剂对乙酸水蒸气重整制氢反应有非常好的初始催化活性,但是催化剂的长期稳定性很差.镍-铁复合催化剂的低温活性(623 K)和长期稳定性(100 h)都远好于单金属催化剂.这主要是因为铁的加入可以促进镍的分散,形成更多的表面活性位同时有助与防止镍的烧结.我们也对乙酸重整反应中的两个主要气体副产物(一氧化碳和甲烷)的反应路径进行了分析.研究发现反应温度决定一氧化碳和甲烷的反应路径.673 K是一个临界温度.低于此温度,甲烷的产生主要来自于一氧化碳和二氧化碳的甲烷化,而高于673 K,甲烷主要来自于乙酸的直接裂解.对于一氧化碳副产物而言,低于673 K其主要来自于乙酸的裂解或者不充分的水蒸气重整反应,而高于673 K产生的一氧化碳则主要来自与逆水煤气变换反应.     

Ni基六铝酸镧LaNiAl11O19催化剂表面甲烷CO2的重整积炭速率

甲烷二氧化碳重整制合成气反应过程中,催化剂表面积炭是制约催化反应顺利进行的关键因素。研究催化剂表面积炭物种及积炭速率,找出影响催化剂表面积炭的动力学因素,对建立合理的催化重整反应体系,完善催化剂表面积炭的动力学理论具有重要的理论和实际意义。目前有关催化剂表面积炭速率的研究报道较少[1,2]。Ｎｉ基六铝酸盐催化剂对甲烷二氧化碳重整制合成气具有很好的催化活性和稳定性[3,4]。本文利用Ｘ 射线光电子能谱(ＸＰＳ)和热重分析(ＴＧＡ)技术,在还原态Ｎｉ基六铝酸镧ＬａＮｉＡｌ11Ｏ19催化剂表面研究了甲烷裂解积炭和甲烷二氧…     

M调变六铝酸盐MNiAl_(11)O_(19-δ)的制备和对CO_2重整甲烷制合成气的催化性能(英文)

通过Ｍ的调变作用,制备了一系列六铝酸盐ＭＮｉＡｌ_（１１）Ｏ_（１９－δ）（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ和Ｂａ）作为二氧化碳重整甲烷制合成气反应新催化剂,探索了它们的结构和催化性能。结果表明,这些催化剂在高温下对二氧化碳重整甲烷制合成气反应都表现出良好的催化活性和稳定性,在７８０℃下反应２小时,甲烷和一氧化碳转化率均在９３．４％和９１．２％以上,没有发现活性组分Ｎｉ的高温烧结和催化剂失活。同时,不同Ｍ调变对六铅酸盐催化剂的催化活性有不同影响。     

氧化锆担载镍甲烷干重整催化剂的载体形貌效应

煤层气是储量十分丰富的煤炭伴生资源,也是煤炭开采中最大的安全隐患之一,同时还是重要的温室气体.研究煤层气的高效、清洁资源化利用具有资源和环境双重意义.因此,世界主要产煤国均十分重视煤层气的开发和利用.煤层气的主要成分是甲烷,目前主要通过两种方式实现其资源化利用:(1)直接转化,主要通过氧化偶联、催化氧化官能团化或脱氢芳构化等途径将其转化为高碳烃、含氧化合物及芳烃等;(2)间接转化,甲烷首先经催化重整反应制取合成气,而后再经Fischer-Tropsch合成、甲醇化和氢甲酰化等过程来合成饱和烃、烯烃、甲醇及其他含氧化物.对于前者,由于热力学限制,反应收率很低,应用前景较差,而经由合成气这一平台产物的间接转化路线被认为是一条甲烷资源化利用颇具工业前景的转化路线.因此,甲烷催化重整制合成气备受关注.研究表明,贵金属具有较好的甲烷重整催化性能,但其储量有限、价格昂贵的内在缺陷不利于甲烷大规模转化和资源化利用.Ni基催化剂具有与贵金属可比的催化活性和选择性,且其储量丰富,价格低廉,因此在甲烷重整反应中备受青睐.但是,相对于贵金属,Ni基催化剂易于积碳和烧结失活,这已成为制约其大规模工业化应用的瓶颈.迄今,大量文献报道关注如何提高Ni基催化剂的催化稳定性.而载体形貌调控是调节负载型催化剂的有效途径.本文开展了用作载Ni催化剂的氧化锆载体的形貌调控研究,以期可以有效调节载Ni催化剂的物化性质,进而调控载Ni催化剂的甲烷重整催化性能.采用水热法成功制备了松球状和鹅卵石状的单斜相氧化锆载体,进一步负载镍,制备了载镍催化剂,用于甲烷重整制合成气反应.具有分级结构的松球状氧化锆载Ni催化剂(Ni/ZrO2-ipch)展示出比鹅卵石状氧化锆和常规氧化锆纳米粒子载Ni催化剂显著好的催化活性和稳定性.采用XRD、N2吸附、TEM、H2-TPR、CO化学吸附、CO2-TPD、XPS和TGA等手段研究了松球状氧化锆载Ni催化剂高催化活性和稳定性的原因和机制.发现,其较高的催化活性主要归因于高的Ni分散度、改善的可还原性、促进的氧流动性以及较多的碱性位和较强的碱性,这些物化性质依赖于氧化锆载体的独特形貌.分级结构的松球状氧化锆载Ni催化剂高的甲烷重整催化稳定性主要源于催化剂的高抗烧结、抗积碳性能.加强的金属载体效应和介孔限域效应可以阻止金属Ni的高温烧结,而优良的抗积碳稳定性主要源于催化剂良好的氧流动性、较多的碱性位、较强的碱性以及小的Ni粒子尺寸.鉴于分级结构松球状氧化锆载Ni催化剂高的催化活性和优良的抗积碳、抗烧结稳定性,该催化剂用于甲烷重整制合成气具有广阔前景.而所制备的分级结构松球状氧化锆由于具有独特的结构和优良的热稳定性,可以作为性能优良的载体用于其他反应,尤其对于高温转化过程可望表现出明显优势.     

微波辐照下泡沫陶瓷担载镍催化剂上CH4/CO2重整制合成气反应

制备了吸波性良好的泡沫陶瓷担载镍的甲烷／二氧化碳重整催化剂,并考察了催化剂在微波场中的升温行为;研究了微波加热与常规加热对甲烷／二氧化碳重整制合成反应的影响,发现微波辐照下能有效地消除反应积炭;同时,在达到相同转化率和选择性时,微波加热方式下催化剂床层的温度远低于常规加热方式下催化床床层的温度;在微波加热方式下,８００℃反应时产物中Ｈ２／ＣＯ体积比接近于１。     

氧化锆担载镍甲烷干重整催化剂的载体形貌效应（英文）

煤层气是储量十分丰富的煤炭伴生资源,也是煤炭开采中最大的安全隐患之一,同时还是重要的温室气体.研究煤层气的高效、清洁资源化利用具有资源和环境双重意义.因此,世界主要产煤国均十分重视煤层气的开发和利用.煤层气的主要成分是甲烷,目前主要通过两种方式实现其资源化利用:(1)直接转化,主要通过氧化偶联、催化氧化官能团化或脱氢芳构化等途径将其转化为高碳烃、含氧化合物及芳烃等;(2)间接转化,甲烷首先经催化重整反应制取合成气,而后再经Fischer-Tropsch合成、甲醇化和氢甲酰化等过程来合成饱和烃、烯烃、甲醇及其他含氧化物.对于前者,由于热力学限制,反应收率很低,应用前景较差,而经由合成气这一平台产物的间接转化路线被认为是一条甲烷资源化利用颇具工业前景的转化路线.因此,甲烷催化重整制合成气备受关注.研究表明,贵金属具有较好的甲烷重整催化性能,但其储量有限、价格昂贵的内在缺陷不利于甲烷大规模转化和资源化利用.Ni基催化剂具有与贵金属可比的催化活性和选择性,且其储量丰富,价格低廉,因此在甲烷重整反应中备受青睐.但是,相对于贵金属,Ni基催化剂易于积碳和烧结失活,这已成为制约其大规模工业化应用的瓶颈.迄今,大量文献报道关注如何提高Ni基催化剂的催化稳定性.而载体形貌调控是调节负载型催化剂的有效途径.本文开展了用作载Ni催化剂的氧化锆载体的形貌调控研究,以期可以有效调节载Ni催化剂的物化性质,进而调控载Ni催化剂的甲烷重整催化性能.采用水热法成功制备了松球状和鹅卵石状的单斜相氧化锆载体,进一步负载镍,制备了载镍催化剂,用于甲烷重整制合成气反应.具有分级结构的松球状氧化锆载Ni催化剂(Ni/ZrO_2-ipch)展示出比鹅卵石状氧化锆和常规氧化锆纳米粒子载Ni催化剂显著好的催化活性和稳定性.采用XRD、N_2吸附、TEM、H_2-TPR、CO化学吸附、CO_2-TPD、XPS和TGA等手段研究了松球状氧化锆载Ni催化剂高催化活性和稳定性的原因和机制.发现,其较高的催化活性主要归因于高的Ni分散度、改善的可还原性、促进的氧流动性以及较多的碱性位和较强的碱性,这些物化性质依赖于氧化锆载体的独特形貌.分级结构的松球状氧化锆载Ni催化剂高的甲烷重整催化稳定性主要源于催化剂的高抗烧结、抗积碳性能.加强的金属载体效应和介孔限域效应可以阻止金属Ni的高温烧结,而优良的抗积碳稳定性主要源于催化剂良好的氧流动性、较多的碱性位、较强的碱性以及小的Ni粒子尺寸.鉴于分级结构松球状氧化锆载Ni催化剂高的催化活性和优良的抗积碳、抗烧结稳定性,该催化剂用于甲烷重整制合成气具有广阔前景.而所制备的分级结构松球状氧化锆由于具有独特的结构和优良的热稳定性,可以作为性能优良的载体用于其他反应,尤其对于高温转化过程可望表现出明显优势.     

光热催化甲烷干重整研究进展

随着工业化的推进,化石能源的消耗产生大量温室气体,其中CH₄和CO₂占据温室气体排放的98%以上。将CH₄和CO₂转化为高附加值化学品具有重要的意义,一直受到工业界和学术界广泛关注。传统的热催化甲烷干重整(DRM)可实现将CH₄和CO₂转化为合成气,但该反应过程受热力学限制,需要很高的能量输入,并且由于反应温度较高,催化剂易发生积碳而失活。绿色环保的光催化技术可以使甲烷干重整反应在温和条件下进行,但是存在太阳光利用率和反应转化率较低等问题。最近光热协同催化受到学术界广泛关注。许多研究结果表明,在相对温和的条件下,光热催化DRM可以获得良好的催化效果,可有效实现太阳能转化为化学能。本文简要介绍近期光热催化甲烷干重整反应的研究进展,总结不同金属催化剂在光热催化甲烷干重整中的应用,同时提出了光热催化甲烷干重整存在的一些挑战及展望。     

Thermodynamic analysis of mixed and dry reforming of methane for solar thermal applications

Thermodynamic analysis of the reforming of methane with carbon dioxide alone ("dry reforming") and with carbon dioxide and steam together ("mixed reforming") is performed as part of a project which investigates the suitability of these endothermic reactions for the storage of solar thermal energy. The Gibbs free energy minimization method was employed to identify thermodynamically optimal operating conditions for dry reforming as well as mixed reforming with a desired H2/CO molar ratio of 2. The non-stoichiometric equilibrium model was developed using FactSage software to conduct the thermodynamic calculations for carbon formation, H2/CO ratio, CH4 conversion and H2 yield as a function of reaction temperature, pressure and reactant molar ratios. Thermodynamic calculations demonstrate that in the mixed reforming process, optimal operating conditions in a carbon-free zone are under H2O/CH4 /CO2 =1.0/1.0/0.5, p = 1 to 10 bar and T = 800 to 850℃ for the production of syngas with a H2 /CO molar ratio of 2. Under the optimal conditions, the maximum H2 yield of 88.0% is achieved at 1 bar and 850℃ with a maximum CH4 conversion of 99.3%. In the dry reforming process, a carbon formation regime is always present at a CO2/CH4 molar ratio of 1 for T = 700 1000℃ and p = 1-30 bar, whereas a carbon-free regime can be obtained at a CO2/CH4 molar ratio greater than 1.5 and T≥800℃.     

Methane oxidation at redox stable fuel cell electrode La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O(3-delta)

Because of its widespread availability, natural gas is the most important fuel for early application of stationary fuel cells, and furthermore, methane containing biogases are one of the most promising renewable energy alternatives; thus, it is very important to be able to efficiently utilize methane in fuel cells. Typically, external steam reforming is applied to allow methane utilization in high temperature fuel cells; however, direct oxidation will provide a much better solution. Recently, we reported good electrochemical performance for an oxide anode La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3 (LSCM) in low moisture (3% H2O) H2 and CH4 fuels without significant coking in CH4. Here, we investigate the catalytic activity of this oxide with respect to its ability to utilize methane. This oxide is found to exhibit fairly low reforming activity for both H2O and CO2 reforming but is active for methane oxidation. LSCM is found to be a full oxidation catalyst rather than a partial oxidation catalyst as CO2 production dominates CO production even in CH4-rich CH4/O2 mixtures. X-ray adsorption spectroscopy was utilized to confirm that Mn was the redox active species, clearly demonstrating that this material has the oxidation catalytic behavior that might be expected from a Mn perovskite and that the Cr ion is only present to ensure stability under fuel atmospheres.     

室温光驱动甲烷活化

如何在较温和的条件下将甲烷转化为其它更有价值的有机衍生物,如醇、芳烃、长链烷烃和烯烃等,长期以来是催化、化学及化工领域的热点课题和难点课题之一。为了提高甲烷的转化效率,过去几十年里,研究人员不断开发新的催化剂和新的反应路径。与传统高温热催化方法相比,如果能利用自然界中丰富的太阳能驱动甲烷转化,将同时满足能源和环保两方面的要求,是各种新型非常规策略中比较令人期待的一种。本文从光催化材料的组成、结构及催化路线、催化机制等方面进行总结,对当前室温光活化甲烷分子的研究现状加以论述。     

煤与甲烷共转化制合成气过程的热力学分析

采用Gibbs自由能最小法,对流化床煤与甲烷共转化过程进行了热力学分析。在保持体系绝热温度为常压流化床煤气化的操作温度1 273 K下,将煤与甲烷共转化过程的冷煤气效率、产出合成气的单位有效能氧耗及H2/CO比等指标与单纯煤气化过程进行了比较。结果表明,在煤气化体系中增加甲烷进料,能使冷煤气效率提高,单位有效能氧耗降低,产出合成气的H2/CO比可调。此外,甲烷可作为部分氢源,降低过程水耗。从热力学角度证明了煤与甲烷共转化方法对于有效利用煤层气的优越性,所得出的操作线也为该过程的实际操作指出了方向。     

Sensitization-initiated electron transfer via upconversion: mechanism and photocatalytic applications

Sensitization-initiated electron transfer (SenI-ET) describes a recently discovered photoredox strategy that relies on two consecutive light absorption events, triggering a sequence of energy and electron transfer steps. The cumulative energy input from two visible photons gives access to thermodynamically demanding reactions, which would be unattainable by single excitation with visible light. For this reason, SenI-ET has become a very useful strategy in synthetic photochemistry, but the mechanism has been difficult to clarify due to its complexity. We demonstrate that SenI-ET can operate via sensitized triplet–triplet annihilation upconversion, and we provide the first direct spectroscopic evidence for the catalytically active species. In our system comprised of fac-[Ir(ppy)₃] as a light absorber, 2,7-di-tert-butylpyrene as an annihilator, and N,N-dimethylaniline as a sacrificial reductant, all photochemical reaction steps proceed with remarkable rates and efficiencies, and this system is furthermore suitable for photocatalytic aryl dehalogenations, pinacol couplings and detosylation reactions. The insights presented here are relevant for the further rational development of photoredox processes based on multi-photon excitation, and they could have important implications in the greater contexts of synthetic photochemistry and solar energy conversion.

A full picture of a new multi-photon excitation mechanism relying on sTTA upconversion is provided, together with selected photocatalytic applications. All mechanistic steps are investigated and the catalytically active species is observed directly.     

甲烷干气重整反应进展(英文)

系统地回顾和总结了二氧化碳重整反应的研究进展和现状,包括催化剂活性组分、载体、助剂以及催化剂制各方法等因素对催化剂性能的影响,同时对催化剂活性组分与反应中间体的结构与性能、反应机理和动力学行为及催化剂失活特性进行了细致的分析。大量研究表明金属镍是最富潜力的干气重整催化剂活性组分,而催化剂积炭是决定该反应能否工业化的关键因素。探索抑制催化剂积碳失活的有效途径是二氧化碳重整过程开发成功的关键。甲烷二氧化碳（干气）重整反应的研究和开发将提供一条天然气有效利用与温室气体减排的有效途径。     

8.01% CuInGaSe2 solar cells fabricated by air-stable low-cost inks

CuInGaSe(2) (CIGS), a promising thin film solar cell material, has gained lots of attention in decades due to its high energy conversion efficiency and potential lower manufacture cost over conventional Si solar cells. As a cheaper processing method compared to vacuum-based techniques, solution-based deposition has been successfully applied to fabricate electronic devices, such as transistors and solar cells. In this paper, we reported CIGS thin film solar cells with an energy conversion efficiency reaching up to 8.01% using air-stable, low-cost inks. The newly developed inks consist of commercially available, low-cost compounds and solvents and can be processed using a variety of printing and coating techniques. More importantly, the inks can produce CIGS films free of copper selenides and amorphous carbon, two common by-products from solution-based CIGS processes. The mechanism for the transformation from metal salt precursor films to CIGS absorber thin films and the influence of selenium vapour pressure on absorber film quality and photovoltaic device performance were investigated and discussed. High-quality CIGS films with micrometer-sized crystals were obtained by using higher selenization partial pressure.     

甲烷自热重整制氢热力学分析

为了优化甲烷自热重整制氢过程的反应条件,运用吉布斯自由能最小化方法对过程进行了热力学计算,研究了重整过程的反应温度、空碳比、水碳比对平衡组成的影响。模拟结果表明,适宜的水碳比为2.5～3.5,空碳比2.0～3.5,重整温度700℃～850℃,每摩尔甲烷生成2.17mol～2.23mol氢;以水碳比1.5为例,对不同空碳比下的组分的产生和转化的机理进行了分析。