以水滑石为前躯体制备双金属Ni-Fe合金催化剂用于CO甲烷化反应的研究

摘要

天然气作为一种清洁、环境友好型能源，在世界范围内被研究开发和利用，并且人类对于天然气的需求越来越大。近年来，以煤为原料通过甲烷化反应合成天然气受到越来越多的关注。在煤制天然气技术中，甲烷化技术是最重要的核心技术之一，而甲烷化催化剂的研究对甲烷化技术意义非凡。其中Ni基催化剂由于其低廉的价格和较好的活性成为甲烷化反应常用的催化剂，但镍基催化剂常面临烧结和积碳，导致催化剂的失活。因此，开发具有较强的抗烧结和抗积碳能力的催化剂具有重要意义。 本论文在前期实验室工作的基础上，以水滑石为前驱体制备Ni基催化剂和Ni-Fe双金属纳米颗粒催化剂，并通过XRD、H2-TPR、ICP、TG、BET，XPS和TEM表征手段对催化剂进行了研究。讨论了Ni负载量、空速、铁含量对甲烷化性能的影响以及Fe掺杂量对催化剂的稳定性的影响，进而得到催化剂结构与性能之间的关系。本论文的主要研究成果如下： 采用共沉淀法制备不同镍含量的xNiMgAlLDHs（x=15%,20%,25%,30%）。其中镍含量的不同对催化剂的结构有一定的影响，还原后的镍纳米颗粒尺寸随着镍含量增多而逐渐增加。25Ni-CLDHs具有最大的孔径和较高的比表面积。在甲烷化反应测试当中，20Ni-red、25Ni-red和30Ni-red催化剂均表现出较高的催化活性。当反应条件的空速升高到60000 mL g-1 h-1时，25Ni-red催化剂比20Ni-red催化剂表面出更好的催化活性，所以在更加严苛的条件下，25Ni-red催化剂的活性优势更加明显。 采用相同的方法制备了拥有良好水滑石结构的NixFeLDHs（x=0,1%,2%,4%）前驱体，在经过煅烧和还原后，Ni和Fe元素被还原出来，并在氧化铝和氧化镁的混合氧化物的表面形成了高分散度的镍铁合金。铁的加入使得镍与铁形成较易还原的固溶体，并且催化剂还原温度降低，还原度升高。还原后催化剂的XRD、TEM的线扫及面扫图谱和XPS证明了合金的形成。在甲烷化活性测试当中，铁的加入加速了CO甲烷化在低温下的反应，并且Ni2Fe-red催化剂显示了最高的CO转化率和甲烷选择性，主要归因于镍铁合金的协同作用。在稳定性测试中Ni2Fe-red催化剂显示了比Ni0Fe-red催化剂更好的抗积炭和抗烧结能力，主要是由于铁的加入形成镍铁合金，并且铁元素稀释了表面镍原子，抑制了镍原子簇的形成，从而减少积碳和烧结。

目录

声明

第一章 文献综述与课题选择

1.1 合成天然气的背景和意义

1.2 煤制天然气工艺

1.3 CO甲烷化反应

1.4 CO甲烷化催化剂的研究进展

1.5 水滑石

1.6 课题意义和研究内容

第二章实验部分

2.1 实验试剂和仪器

2.2 催化剂制备

2.3 催化剂表征

2.4 催化剂性能评价

第三章 以NiMgAl水滑石为前驱体制备不同Ni含量的纳米催化剂用于CO甲烷化反应的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 NixFe催化剂用于CO甲烷化反应：Fe掺杂量的影响

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 催化剂表征结果

4.4 催化剂活性测试

4.5 稳定性测试后催化剂表征结果

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 问题与展望

参考文献

发表论文和科研情况

致谢