鎳基包覆結構催化劑的限域效應及高效重整制氫性能

《鎳基包覆結構催化劑的限域效應及高效重整制氫性能》是依託天津大學，由鞏金龍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鎳基包覆結構催化劑的限域效應及高效重整制氫性能
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鞏金龍
• 依託單位：天津大學

項目摘要

活性金屬燒結是乾氣重整、蒸汽重整等許多重要的工業反應過程催化劑面臨的主要挑戰之一。包覆結構材料是近年發展起來的、套用廣泛的新型納米功能材料，因其特有的限域效應，在抑制金屬催化劑燒結方面具有良好的套用前景。擬設計併合成具有核殼、芯鞘等包覆結構的鎳基催化劑，考察催化劑在高溫條件下的穩定性，分析催化劑組成、形貌結構、溫度及環境氣氛等因素對其限域效應的影響。以甲烷乾氣/蒸汽重整及乙醇蒸汽重整等重整過程為探針反應，考察鎳基包覆結構催化劑在高溫反應條件下的結構穩定性。在利用原位紅外、拉曼等手段表征分析催化劑表面積碳的基礎上，通過表面修飾或引入其他氧化物助劑等方法，進一步抑制鎳基包覆結構催化劑在高溫重整過程中的表面積碳行為，開發適用於高溫重整過程的高效穩定鎳基包覆結構催化劑。

結題摘要

金屬顆粒在高溫下的燒結長大和含碳反應分子在金屬表面的積碳行為是鎳基重整催化劑等眾多工業催化劑失活的主要原因。包覆結構因其特有的限域效應，可以有效抑制金屬顆粒的燒結和表面積碳的發生。本課題以鎳基催化劑為研究對象，構築不同維度、形貌和組成的包覆結構，研究和開發了高效穩定的重整制氫催化劑。為了抑制鎳顆粒的燒結，本項目引入了三維有序介孔結構，通過表面活性劑輔助的方法改善了鎳和氧化鈰在介孔氧化矽孔道中的分散，在乙醇蒸汽重整反應中可達到97%的氫氣選擇性；引入氧化鑭助劑改善了介孔氧化鋁的高溫水熱穩定性，實現了50小時高效穩定製氫。此外，構建了Ni@SiO2核殼結構催化劑，利用氧化矽殼層抑制鎳顆粒的燒結，並通過調變還原溫度來控制鎳顆粒的尺寸大小，考察了鎳顆粒尺寸對重整性能的影響。為了研究碳物種在催化劑的表面的積碳行為，本項目通過簡單球磨的方法製備了類包覆的Ni-CeO2催化劑，實現了鎳顆粒在氧化鈰表面的高度分散及鎳與氧化鈰界面的最大化，促進了水分子的活化，抑制了碳物種在金屬鎳表面的生成；以La2O2CO3納米棒為前驅體製備了Ni/La2O3催化劑，增強金屬鎳與氧化鑭載體間的相互作用，提高了Ni在表面的分散度，抑制了石墨化積碳的生成；引入金屬錫包覆金屬鎳表面的缺陷位，抑制C—C成鍵反應在配位不飽和的鎳原子上的發生，減少積碳的生成，提升鎳基重整催化劑的穩定性。在此基礎上，本項目將構築高效穩定重整催化劑的催化劑設計方法進行推廣，在丙烷脫氫、苯甲醇選擇性氧化等反應中進行了套用。上述研究結果表明，包覆結構的限域效應能夠穩定高度分散的活性金屬納米顆粒，抑制金屬顆粒在高溫下燒結長大，並實現活性金屬與功能助劑氧化物之間界面面積最大化，促進表面碳物種反應轉化，抑制積碳在催化劑表面的生成，提升催化劑的穩定性與活性。包覆型結構的催化劑設計方法為解決工業催化劑高溫下燒結失活問題提供了一種可行方案和解決思路。