镍基催化剂上变换-甲烷化反应机理的研究

综合分析了用脉冲色谱、TPD和TPR、红外光谱等技术研究变换-甲烷化反应的实验结果,得到了这一反应机理的重要信息:H_2O在镍基催化剂上为离解吸附;适量水的预吸附有利于CO的离解与反应;CO离解生成的表面碳是变换-甲烷化反应的重要中间体,而桥式吸附的CO则是CO离解和进行变换-甲烷化反应的活化吸附体;表面氢的存在是生成最终产物甲烷不可缺少的条件,根据这些结果,给出了变换-甲烷化反应的机理。     

CO的吸附和歧化反应及其在变换-甲烷化反应中的作用

本文用脉冲色谱法考察了CO在Ni基变换-甲烷化催化剂上的吸附和歧化反应,观察到歧化反应的转化率在380℃有一极大值。在低于380℃时,CO 的歧化系一级反应。在400℃时,向催化剂上连续注入200个CO 脉冲后,CO 的歧化率基本不变。歧化形成的表面碳在催化剂上形成多层覆盖,且具有良好的变换-甲烷化反应活性。高温陈化使表面碳与H_2和H_2O 的反应活性降低。     

镍基催化剂的H2S中毒对CO，H2O的吸附及反应的影响

本文应用脉冲色谱和红外光谱研究了镍基变换-甲烷化催化剂的H_2S中毒对CO和H_2O的 吸附、离解及反应的影响。观察到H_2S首先吸附在CO的桥式吸附中心上,并在体相形成镍同 硫的化合物。CO的线式吸附中心中毒较为缓慢。H_2S的饱和吸附使CO的歧化反应活性降 低,并使水的离解吸附停止进行。中毒的催化剂完全失去变换-甲烷化活性,但仍有一定的变 换反应和CO歧化反应活性。催化剂上表面炭的存在对H_2S中毒有一定的阻碍作用。     

硫化钼催化剂KSM-01的制备及其甲烷化活性初探

在合成氨工业中,甲烷化反应己得到广泛研究。在管道煤气化流程中,CO 甲烷化也是一个重要的中间反应步骤。由于各种品位的煤炭中普遍含有不同比例的硫,所以研制煤气化流程中抗硫甲烷化催化剂有一定价值。镍基甲烷化催化剂对硫极为敏感,易中毒失活,故寻找新体系的抗硫甲烷化催化剂在国内外都是一个较新的课题。本工作在实验室考察了自制的硫化钼催化剂的甲烷化性能,并对CO 在钼基催化剂及镍基催化剂上     

ZrO2晶型对Ni/ZrO2催化剂CO甲烷化性能的影响

采用浸渍法制备了四方相ZrO2(t-ZrO2)和单斜相ZrO2(m-ZrO2)负载的Ni含量为10%的催化剂,在连续流动微反装置上考察了Ni/m-ZrO2以及不同温度焙烧Ni/t-ZrO2催化剂的CO甲烷化催化活性.采用N2物理吸附-脱附、H2-TPR、XRD、CO-TPSR及原位漫反射傅里叶变换红外光谱等技术对催化剂进行了表征.结果表明,在CO体积分数为1%,空速为20 000 h-1,常压的反应条件下,当CO转化率为50%时,Ni/m-ZrO2-673和Ni/t-ZrO2-673催化剂的反应温度分别为445 K和488 K,Ni/m-ZrO2-673催化剂的CO甲烷化活性远高于Ni/t-ZrO2-673催化剂.随焙烧温度的升高,Ni/t-ZrO2催化剂的CO甲烷化活性评价显著升高,产生这一现象的原因是在高温焙烧过程中Ni/t-ZrO2催化剂表面的t-ZrO2已转化为m-ZrO2,以m-ZrO2为载体的催化剂因m-ZrO2表面具有较多的配位不饱和O2-碱性中心和配位不饱和Zr4+-O2-位点而表现出高的CO甲烷化活性.     

高浓度CO变换-甲烷化反应积炭的初步研究

制备了含有某些助剂的、活性较好的镍基催化剂。在高的CO 浓度(H_2/CO比从1至0)和水蒸气存在条件下,研究了变换-甲烷化反应的积炭量变化规律。对同一组分的催化剂,当催化剂较疏松时,积炭量较大,随着催化剂堆比重增大积炭量减小。积炭量随时间和空速的增加而增加。但随温度的增加在350℃附近有一极大值。500C°以上时积炭量显著减小,此时甲烷化活性较低,但变换功能仍相当强。随着H_2/CO 比或H_2O/CO 比的增加,积炭量均减小。     

Ni_aCu_b(ZrCeO_4)_8O_x催化剂在水煤气变换反应中的活性和选择性研究

用共沉淀法制备Ce O_2-Zr O_2复合氧化物载体,浸渍法制备Ni_aCu_b(ZrCeO_4)_8O_x催化剂;用X射线衍射技术(XRD),程序升温还原(H_2-TPR)技术对催化剂的物相结构和还原特性进行表征;研究了催化剂对CO水煤气变换反应的活性与选择性,考察了催化剂组成对CO水煤气变换反应的影响。实验结果表明:Cu_aFe_b(Zr Ce_4)_8O_x具有稳定的立方晶相结构,催化剂对水煤气变换反应表现了良好的活性;载体表面的铜镍物种间存在相互作用,Ni0为甲烷化反应的活性中心;在400℃下,以(Ni_6Cu_4)(Zr Ce_4)_8O_x催化CO水煤气变换反应,CO转化率达到95.42%,甲烷的产率为5.22%;550℃下使用该催化剂时,也未出现明显失活。     

液相中镍催化剂催化合成气甲烷化的初步研究

采用液相还原法制备非负载型镍催化剂,将非负载型镍催化剂分散在液相供氢溶剂十氢萘中,催化合成气甲烷化反应。在高压反应釜内,考察了反应温度、物质的量比等操作条件下,镍催化剂催化合成气甲烷化反应的反应活性。并对催化剂进行XRD、SEM、H2-TPR表征分析。研究结果表明,在330℃、催化剂用量为2%时,产品气中甲烷含量可达89.39%,CO和H2的转化率分别为94.56%和92.60%;催化剂用量为4%时,产品气中甲烷含量可高达94.26%,CO的转化率可达到99%以上。合成气甲烷化反应的最佳操作温度为330℃,H2/CO物质的量比最佳为2.20~2.67。     

Ni/CeO2前驱体分解方法对CO甲烷化活性的影响

CO甲烷化制备合成天然气是煤化工的重要过程之一,也是合成氨过程和燃料电池除去痕量CO的重要反应.CO甲烷化催化剂包括贵金属催化剂和镍基催化剂.其中,镍基催化剂由于具有较好的活性以及较低的成本受到广泛的重视.目前,镍基CO甲烷化催化剂仍需解决的问题是提高低温活性以及抗积碳性能.目前的改进方法主要包括:(1)控制催化剂尺寸;(2)控制催化剂结构;(3)提高Ni-载体的相互作用;(4)使用结构可控的载体;(5)改进载体性质.其中,通过控制催化剂尺寸来控制催化剂结构是一种有效的改进方式.使用冷等离子体来分解镍前驱体是一种快速有效的制备尺寸小、分散度好的镍基催化剂的方法.本文使用常压介质阻挡放电等离子体(150°C左右)分解硝酸镍前驱体,得到的催化剂再经过500°C氢气还原得到高分散Ni/CeO_2催化剂.作为对比,同时采用常规热焙烧方法分解硝酸镍制备了催化剂.对催化剂进行了X射线衍射(XRD)、CO脉冲化学吸附、CO程序升温脱附(CO-TPD)、CO红外漫反射光谱(CO-DFTIR)及X射线光电子能谱(XPS)等分析,同时进行了CO甲烷化反应活性和300°C下稳定性测试,发现等离子体分解制备得到的催化剂具有更好的CO低温甲烷化性能、更高的CH_4选择性、更好的低温稳定性和抗积碳性能.在250°C时,等离子体分解法制备的催化剂上的CO转化率能达到96.8%,CH_4选择性接近100%,但是热焙烧分解制备的催化剂上却只有14.7%的CO转化率.在低温(300°C)稳定性测试中,等离子体分解制备的催化剂具有优异的稳定性.与常规热焙烧方法得到的催化剂相比,等离子体制备得到的催化剂具有高的Ni分散度、更高的CO吸附性能以及更强的金属-载体相互作用.由于金属-载体相互作用被加强,部分电子由载体转移到金属Ni上,增强了金属与CO反键π轨道之间的电子密度, C–O键更易断裂,有利于甲烷化的发生.此外, XPS分析表明等离子体制备的催化剂表面有更多的Ce~(3+),证明了更多氧空位的存在.在Ni-载体界面上CO的O原子更容易被CeO_2的氧空位捕获而解离.更高的分散度提供了更多的Ni比表面积,也有利于加氢过程的进行,从而提高甲烷化活性.CO甲烷化稳定性测试之后催化剂的TG-DSC表征结果表明,等离子体分解制备的催化剂具有更少的积碳及更多的活性镍组分,同时催化剂上积碳的氧化温度更低,表明积碳具有更好的反应活性.综上所述,等离子体低温分解制备的Ni/CeO_2表现出了更大的比表面积、更高的Ni分散度、增强的CO吸附性能和更多的氧空位,促进了CO甲烷化活性的提高.与文献数据相比,该催化剂具有更高的CO转化速率.     

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.     

过渡应答法研究J105镍催化剂上的甲烷化反应机理

采用过渡应答法研究了J105 Ni催化剂上CO的吸附行为以及CO歧化反应与甲烷化反应。实验结果表明,在J105上甲烷化反应机理为直接解离机理,其中CO解离为反应的控制步骤,由此提出了J105 Ni催化剂上可能遵循的甲烷化反应机理。     

硫化MoO3／Al2O3甲烷化催化剂上不同吸附物种的作用

运用加压动态分析装置研究了硫化MoO_3/A1_2O_3,甲烷化催化剂上CO和H_2的吸附及反应。结果表明,在给定反应条件下催化剂上吸附的CO和H_2可分为可逆与不可逆两类,且对甲烷化反应有着不同的贡献。甲烷的生成是可逆吸附氢和不可逆吸附CO共同作用的结果。不可逆吸附氢与CO不生成甲烷,可逆吸附的CO加氢则与副产物乙烷等的生成密切相关。结合前人的动力学考察结果,解释了Mo系甲烷化催化剂与Ni系甲烷化催化剂要求不同反应压力的实质性原因。     

临CO_2气氛下钼基催化剂耐硫甲烷化性能研究

在反应温度550℃、空速5 000 h~(-1)和1.2%H_2S浓度下,考察了反应气中添加CO_2对负载型Mo基催化剂甲烷化活性的影响。结果表明,添加CO_2会促进逆水煤气变换反应,从而降低Mo O_3/Al2O_3催化剂的耐硫甲烷化活性。与Mo O_3/Al2O_3催化剂相比,添加CO_2对铈铝复合载体负载的Co-Mo双组分催化剂的影响较小。通过表征发现,添加CO_2引起催化剂活性下降的主要原因是由于其增强了逆水煤气变换反应过程,使甲烷化过程可用氢气量减小。另外,逆水煤气变换反应生成的水会影响催化剂表面结构和组成。在连续加入10%CO_220 h后停止加入CO_2,催化剂的耐硫甲烷化活性可以得到恢复,因此,认为CO_2加入量低于10%时,对催化剂及甲烷化反应的影响是可逆的;但CO_2加入量大于10%后由于生成的水量增大会破坏催化剂的结构并减少活性位,从而造成催化剂的不可逆失活。     

长焰煤气变换—甲烷化催化剂的活性及积炭规律

由长焰煤气化制造城市煤气,虽然具有投资少,见效快等优点,但其热值低,煤气中主要成分为:CO～28%,H_2～50%,CO_2～12%,N_2～5%,CH_4～4.5%等。其中CO 含量高达28%,显然不适于直接用作城市煤气,需经变换—甲烷化反应以降低CO 浓度,提高CH_4含量。本文对用于长焰煤气变换—甲烷化反应的镍基催化剂做了初步研究。着重研究了在水蒸气存在时,不同反应温度下反应活性和积炭量的变化规律。     

适用于合成气制甲烷的Ni基催化剂

合成气(CO、H_2)甲烷化是合成天然气的有效途径,Ni基催化剂是目前最具有工业化应用潜力的甲烷化催化剂。在催化反应过程中,由于高CO浓度、反应温度,以及原料气中的含硫组分,所以催化剂易发生积碳、烧结和硫中毒,从而导致失活。如何提高Ni基催化剂的抗硫性能、抗烧结和抗积碳能力仍是一个挑战。本文分别从金属-载体相互作用、催化剂表界面性质调控以及限域效应这三个方面综述了近年来在提高Ni基催化剂抗积碳、抗烧结和抗硫中毒性能领域的最新研究进展,以期为Ni基甲烷化催化剂微观结构设计及反应性能调控提供理论依据。     

碳纳米管负载Cu-Co复合氧化物的富氢气氛中CO催化消除

采用超声处理辅助浸渍法制备了多壁碳纳米管负载的Cu-Co复合氧化物催化剂. 利用XRD、TEM、H2-TPR、XPS和Raman光谱等表征了催化剂的结构性质. 在Cu和Co氧化物以及金属氧化物与碳纳米管载体间存在强相互作用. 催化剂在富氢气氛中CO催化消除反应中,与单一Cu或Co催化剂相比,Cu-Co复合氧化物催化剂表现出独特的反应特性,特别是在较高反应温度下可同时结合CO优先氧化和CO甲烷化的反应途径来实现高效CO消除. 当Cu/Co比为1/8时活性最优,可以实现在150-250℃和高反应空速 （120 L/（h·g））富氢气氛中CO的完全消除.     

泡沫金属微反应器内富氢重整气中CO选择性甲烷化

在微反应器中,用泡沫金属镍为载体负载4Ni-2Ru/ZrO2双金属催化剂,用于选择性甲烷化去除富氢重整气中的CO。考察了催化剂负载方法、焙烧温度和空速等对CO选择性甲烷化的影响,借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)等手段对催化剂制备方法与催化性能的关系进行了探讨。结果表明,直接将4Ni-2Ru/ZrO2催化剂涂布在泡沫镍片上,350℃下焙烧,反应温度为260℃,空速为2 000 h-1~6 000 h-1,可将富氢转化气中CO降至30×10-6以下,其中空速为5 000 h-1,可将CO出口浓度降至7×10-6,CO2的转化率低于1.5%。反应温度在260℃~300℃,CO的转化率在99.6%以上,CO出口浓度在50×10-6以下。     

反应气中水对钼基甲烷化催化剂性能的影响

在反应温度550 ℃、空速5 500 h^-1、H₂S体积分数1.2%下对所研制的钼基催化剂进行了耐硫甲烷化活性评价,考察了反应气中添加H₂O对Mo基催化剂耐硫甲烷化活性的影响。结果表明,反应气中添加水对Al₂O₃负载的Mo基催化剂可造成不可逆失活,而添加Co助剂及采用铈铝复合载体的催化剂其稳定性、活性得到了改善和提高。Co的添加能保护Mo基催化剂上的活性组分MoS₂,抑制添加水导致的不可逆失活。当反应气中加入水时,催化剂上主要发生水汽变换反应,且随着水含量升高,水汽变换反应速率增大,会严重影响甲烷化反应的进行。此外,随着水含量的增加,其对催化剂的耐硫甲烷化活性和稳定性的影响程度变大。     

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。     

Study on the syngas methanation of nickel-based catalyst

实验基于工业用镍基甲烷化催化剂,分别考察了操作温度、原料气CO浓度、操作压力、空速等对合成气(CO浓度5％～25％)甲烷化反应的影响,并分析了造成催化剂失活的因素.结果表明,在300～500℃CH4的生成速率随着温度的升高、压力的增大、CO浓度的增加而增大.但CO的浓度不能过高,当H2/CO≤3时催化剂的催化活性会逐步下降.通过XRD、EDS等分析结果得知,催化剂表面存在积炭,催化剂的失活跟积炭有关,通过进一步的对照实验和BET分析表明,积炭的速率与反应温度有关,温度越高积炭速率越快.