高性能Ni基甲烷重整催化新材料制备及应用研究

摘要

氢气是一种绿色能源，能量密度大，燃烧后产物为水，不仅不会对环境造成污染，还有可能替代石化燃料解决能源危机问题。因此，氢气在21世纪能源舞台上将扮演重要的角色。目前，甲烷水蒸汽重整是最有效和可行的制氢方法，且已大规模工业化。Ni基催化剂因价格低廉、储量丰富且活性高，已被广泛应用于甲烷重整。但该类催化剂易积碳，Ni活性中心高温下易烧结，导致催化剂失活。因此，为降低制氢成本，促进氢气作为绿色能源推广，有必要研发具有更高抗烧结能力和抗积碳性能的催化剂。本论文针对该目标展开研究，主要结果如下：
　　首先，使用共浸渍方法制备一系列不同Co含量的Ni-Co/γ-Al2O3双金属催化剂，其中Ni的质量百分比为12％，并将其用于甲烷水蒸气重整制氢反应。结果表明，Co的添加虽然使得催化剂低温活性略有降低，却很好地提高了Ni/Al2O3催化剂的抗积碳性能和反应稳定性。XPS和TEM结果证明Ni和Co之间存在强相互作用。还原后催化剂的XRD和HAADF-STEM mapping结果提供了直接的证据表明Ni和Co之间形成了Ni-Co合金。该合金的形成可有效覆盖部分低配位的活泼Ni中心，降低催化剂对C-H键的活化能力，抑制C-C键的形成，因而有效地抑制了催化剂在反应过程中积碳。
　　其次，分别合成了介孔Al-SBA-15和球形树枝状KCC-1载体，利用去离子水和乙二醇作为溶剂，采用浸渍法制备了7% Ni/Al-SBA-15和Ni/KCC-1等催化剂。结果表明，用乙二醇作为溶剂，结合上述两种不同形貌介孔载体所制备的催化剂，具备很高的活性、稳定性和优良的抗积碳性能。XRD和TEM测试结果证明，在这些催化剂上，Ni活性组分的粒度可被孔道限域在5 nm以下，从而抑制了反应过程中Ni的高温烧结，有效地提高了催化剂的活性和抗积碳性能。

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第1章 引言

1.1 概述

1.2 天然气主要工业应用

1.3 甲烷重整催化剂

1.4 本论文研究的主要内容和意义

第2章 实验方法与数据处理

2.1 实验仪器与原料

2.2 催化剂的合成

2.3 催化剂活性测定

2.4 催化剂的物性分析

第3章 Ni-Co/Al2O3双金属催化剂抗积碳性能研究

3.1 催化剂制备

3.2 实验结果与讨论

3.3 本章小结

第4章 Al-SBA-15限域Ni纳米粒子催化甲烷重整研究

4.1 催化剂的制备

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 树枝状介孔氧化硅负载Ni纳米粒子催化甲烷重整研究

5.1催化剂制备

5.2 实验结果与讨论

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间研究成果