負載型Ni基催化劑的表面可控制備及抗積碳機理研究

《負載型Ni基催化劑的表面可控制備及抗積碳機理研究》是依託西北大學，由趙彬然擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：負載型Ni基催化劑的表面可控制備及抗積碳機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙彬然
• 依託單位：西北大學

項目摘要

催化技術是化學工業可持續發展的關鍵與核心技術之一。Ni基催化劑因高活性、高選擇性、低價格而在一碳化工領域被廣泛研究，但其套用瓶頸之一在於積碳嚴重導致失活。本項目擬圍繞電漿對Ni基催化劑表面結構的影響規律和Ni顆粒的表面結構對積碳的結構和性能的影響機制兩個科學問題開展基礎研究，探討催化劑表面結構調控以及結構與積碳性能的構效關係。首先利用電漿技術製備負載型Ni基催化劑，研究電漿對Ni晶體取向生長及表面結構的影響機制，調變製備參數，實現催化劑結構的有效調控；其次，結合實驗與分子模擬，重點研究CO歧化和甲烷分解在不同結構的催化劑表面產生積碳的機理、積碳的形態及反應性能，構建積碳生長機制，建立積碳-消碳平衡關係；最後將催化劑套用於甲烷-二氧化碳重整和CO甲烷化兩個反應體系，研究其抗積碳性能。本項目將為Ni基催化劑套用瓶頸的突破提供理論基礎及技術支撐。

結題摘要

鎳基催化劑相比貴金屬催化劑而言價格低廉、來源廣泛，比其他過渡金屬催化劑活性較高，在甲烷乾氣重整、甲烷部分氧化、CO甲烷化等反應中得到了廣泛的研究。但是，鎳基催化劑在含有CO和CH4的體系中容易因積碳而失活，並且在高溫下容易發生燒結，因而穩定性不好。如何對鎳基催化劑進行改性製備以提高其抗積碳和抗燒結性能一直是鎳基催化劑的研究熱點、難點問題之一。基於此，本項目開發了氨水配位浸漬耦合等離子強化方法製備Ni基催化劑，在CO甲烷化反應中可以保持100h不失活，有效地提高了催化劑的活性及穩定性，並探討了該方法提高催化劑活性、抗燒結性、抗積碳性能的深層次原因。研究發現氨水配位浸漬負載過程中Ni氨絡合物在載體上的錨定作用以及層狀矽酸鹽結構的限域效應能夠有效改善鎳在載體表面的分散情況，並且可以顯著增強鎳與載體之間的相互作用。電漿強化製備進一步減小了鎳基催化劑的粒徑、改善了鎳的分散情況、增強了金屬與載體之間的相互作用，有效的高分散的小顆粒活性鎳物種有利於催化反應的進行；強的金屬載體相互作用實現了鎳的抗燒結。更為重要的是電漿技術可以實現Ni晶體的可控生長，Ni顆粒表面缺陷位少，暴露更多的Ni(111)晶面。以CO歧化反應為積碳來源的模型反應研究發現，在Ni(111)晶面積碳速率更低，且形成的積碳以碳纖維為主，而非常規催化劑上的包埋碳，這一特性極大的提高了鎳基催化劑的抗積碳性能。將該技術拓展至製備Ni/MgAl2O4催化劑發現其CO2甲烷化催化性能有明顯的提高。另外本項目首次將電漿與催化劑協同催化CO2和水的反應高選擇性合成乙醇，證明電漿強化技術具有很強的拓展性。本項目的研究工作將為Ni基催化劑套用瓶頸的突破提供理論基礎及技術支撐，同時為電漿技術強化技術的套用打下基礎。