对撞流反应器制备高性能Ni_CeO%5E%282%29甲烷干重整催化剂及其反应机理研究.pdf
《对撞流反应器制备高性能Ni_CeO%5E%282%29甲烷干重整催化剂及其反应机理研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《对撞流反应器制备高性能Ni_CeO%5E%282%29甲烷干重整催化剂及其反应机理研究.pdf(7页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、基金项目院本文受中国石化催化剂有限公司自主科研项目(编号院SCC-B-2023-029)的资助遥作者简介院仉景鹏袁工程师袁博士袁2022 年毕业于清华大学化学工程与技术专业袁研究方向为二氧化碳转化袁目前主要从事催化剂制备过程研究遥E-mail院员 前言随着人类工业化和城市化进程的加快袁温室气体效应带来严重的环境和社会问题遥 面对这一现状袁我国也针对性地提出了野2030 年实现碳达峰袁2060年实现碳中和冶的减碳目标1遥甲烷干重整反应(CH4+CO2圮CO+H2袁DRM)被认为是实现大规模减排的有效途径之一袁 受到各国研究人员的重视遥一方面袁该反应可以同时利用 CH4和 CO2两种温室气体袁从而
2、具有良好的环境收益曰另一方面袁该反应可以生成合成气袁为后续费托合成及其他含氧化学品的制备提供原料2袁3遥在 DRM 中袁Ni 基催化剂由于其优异的反应活性且廉价易得的特点受到了广泛关注遥但由于该反应在热力学上为吸热反应袁常需在高温下进行袁Ni基催化剂面临着较为严重的失活问题袁限制了其大规模应用袁因此开发高活性尧高稳定性的 Ni 基催化剂成为推动该过程工业化进程的关键之一46遥 由于其具有特殊的氧化还原性质及高密度氧空位特点袁CeO2被广泛作为 Ni 基催化剂的载体应用于DRM 反应中79遥 研究结果表明袁Ni/CeO2催化剂中的氧空位(CeO2-x)在 DRM 反应中将参与如下的 CO2活化及
3、积炭消除过程10院CO2+CeO2-x圮CO+CeO2(1)CH4圮C(ads)+2H2(2)C(ads)+CeO2圮CO+CeO2-x(3)因此袁增加氧空位含量将有利于反应物活化以及积炭物种消除袁可以同时提高 Ni/CeO2催化剂的反应活性及稳定性遥 前人通过固溶体11袁12尧掺杂13以及形貌调变14等手段增加催化剂的氧空位含量袁但是上述研究主要集中于机理层面的探索而缺乏实际应用前景遥 因此袁开发一种简洁高效的手段制备高氧空位含量的 Ni/CeO2催化剂对于推动 DRM 反应的工业应用具有重要的意义遥与传统的釜式反应器相对袁对撞流反应器可以强化流体的混合与传质袁从而有利于纳米颗粒理化性质的提
4、高1517遥因此袁本文利用新型对撞流反应器对撞流反应器制备高性能 Ni/CeO2甲烷干重整催化剂及其反应机理研究仉景鹏袁卢 威袁赵保槐袁张 毅袁苑志伟(中国石化催化剂有限公司工程技术研究院袁北京 100176)摘要利用对撞流反应器制备高性能 Ni/CeO2甲烷干重整(DRM)催化剂遥 针对传统反应釜制备的 Ni/CeO2甲烷干重整催化剂活性较低尧稳定性较差的问题袁从提高催化剂氧空位含量的角度出发袁利用对撞流反应器具有优异传质及混合的特点袁制备高活性尧高稳定性 Ni/CeO2催化剂遥 探究了对撞流共沉淀合成条件对反应活性及稳定性的影响袁在流速100mL/min 的工艺条件下制备的 Ni/CeO2
5、催化剂可以实现 93%的 CO2转化率及 85%的 CH4转化率袁并且维持较好的稳定性遥利用 XRD尧BET尧TEM尧CO 化学滴定及 Raman 等表征手段探究了催化剂结构与性能之间的关系遥研究结果表明袁与传统的共沉淀过程相比袁对撞流共沉淀过程因其具有较强的混合及传质能力袁所制备的 Ni/CeO2催化剂具有较高的比表面积和 Ni 颗粒分散度袁提高了 DRM 反应活性曰同时丰富的氧空位不仅能够促进 CO2的活化袁并且有助于积炭的消除袁从而增强 DRM 高温反应下的稳定性遥关键词甲烷干重整 Ni/CeO2催化剂 抗积炭 抗烧结炼油与化工中 外 能 源SINO-GLOBAL ENERGY窑67窑第
6、 28 卷第 10 期2023 年 10 月制备了高性能 Ni/CeO2催化剂袁并探究了制备条件对其催化活性的影响遥利用一系列表征手段对其性能提高的机理进行探索袁从而指导后续高性能催化剂的进一步开发遥2 实验2.1 实验试剂本文中所用的 Ce(NO3)3窑 6H2O尧Ni(NO3)2窑 6H2O尧无水乙醇等试剂均为分析纯袁氨水的浓度为 25%28%袁上述药品均来自上海麦克林试剂公司遥2.2 实验装置及制备过程本文中的 CeO2载体制备包括了传统法及对撞流方法遥在传统法中袁Ce(NO3)3窑 6H2O尧Ni(NO3)2窑 6H2O首先在烧杯中用去离子水溶解袁之后利用氨水作为沉淀剂缓慢滴入混合溶液
7、中袁在 60益尧500r/min 下搅拌老化 3h遥 在对撞流法中袁利用 T 型三通取代烧杯搅拌过程袁强化颗粒沉淀袁主要流程如下院利用如图 1 所示的对撞流反应器制备 CeO2载体袁 主要装置包括平流泵(美国袁ISCO ReaXus)尧微型 T 型三通(熊川袁1/16 英寸)及相关的附件遥 Ce(NO3)3窑 6H2O尧Ni(NO3)2窑 6H2O 的混合水溶液及氨水由平流泵进入 T型三通内进行对撞混合并产生沉淀袁调控对撞料液流速及装置尺寸袁避免沉淀堵塞三通遥 对两种方法中所得沉淀再经洗涤尧干燥尧研磨尧煅烧等步骤可制备得 5%(质量分数)的 Ni/CeO2催化剂遥2.3 催化剂表征及性能评价采
8、用 X 射线衍射仪(XRD袁D8 Advance A25 X袁德国)进行结构分析袁扫描速率为 5毅/min袁扫描步长为 0.01毅袁扫描的范围为 10毅80毅曰采用贝士德 BSD-PS1 物理气体吸附分析仪对催化剂样品进行比表面积分析(BET)曰催化剂样品形貌通过美国 FEITecnai 30 高分辨透射电子显微镜(TEM 及 HRTEM)表征曰 采用法国 Horiba 公司的 LabRam HR Evolu鄄tion 仪器对催化剂进行拉曼光谱表征(Raman)袁激发光波长为 532nm袁具体步骤参考文献10进行遥利用常压固定床反应器进行 DRM 反应活性及稳定性的评价遥 具体反应条件院造粒后
9、 4060 目的40mg 催化剂在 800益下的 H2/N2氛围中对催化剂预还原 2h袁控制进料气中体积比为 CH4颐CO2颐N2=1颐1颐1袁随后在质量空速 GHSV=90000mL/(g 窑 h)(进料气流速60mL/min)条件下进行反应评价遥 考察了不同温度下的催化剂的活性袁反应产物通过配备热导检测器(TCD)及氢火焰离子化检测器(FID)的日本岛津公司GC-2014 气相色谱检测遥 CH4和 CO2转化率通过下述公式计算院XCH4=FCH4袁in-FCH4袁outFCH4袁in伊100%(4)XCO2=FCO2袁in-FCO2袁outFCO2袁in伊100%(5)其中袁Fin和 Fo
10、ut分别表示反应器入口和出口的反应物摩尔流量遥3 结果与讨论3.1 制备工艺优化及反应性能评价从反应活性与温度的关系来看袁在所研究的温度范围内袁CO2转化率均高于 CH4转化率袁 这可以从反应热力学角度进行理解遥 该反应的主反应为CO2与 CH4等比例转化为 CO 和 H2袁但在该过程的反应温度下还会发生逆水煤气反应(CO2+H2圮CO+H2O袁RWGS)袁该过程会消耗 CO2及 H2并使最终产品中的 CO 比例提高袁这一情况会随着反应温度提高有所改善遥 但随着反应温度的进一步提高袁同样会促进热力学上吸热的 CH4的裂解反应并产生积炭袁因此优化反应温度有助于实现甲烷二氧化碳干重整反应的工业化遥
11、 本文还进一步研究了对撞流制备过程中料液流速对 CO2及 CH4转化率的影响遥 从图 2 中可以看出袁对撞流料液流速对催化剂性能有重要的影响遥 随着进料流速的增加袁CO2及 CH4转化率先增加后减少袁呈现野火山型冶规律袁当对撞流料液流速为 100mL/min 时具有最佳反应活性院典型图 1 对撞流反应器共沉淀过程示意图微型三通平流泵1金属盐DAxAEF平坦平流泵2沉淀剂2023年第 28 卷窑68窑中 外 能 源SINO-GLOBAL ENERGY将上述经过优化工艺制备的催化剂(标记为 Ni/CeO2-M)与传统釜式反应器制备的催化剂(标记为Ni/CeO2-B)进行长周期反应性能研究遥 从图
12、3 中可以看出袁相对于传统的 Ni/CeO2-B 催化剂袁对撞流反应器制备的 Ni/CeO2-M 新型催化剂具有更高的CO2及 CH4转化率院在典型反应温度 800益条件下袁CO2及 CH4初始转化率分别为 91.2%及 84.8%袁与之相比袁Ni/CeO2-B 催化剂的 CO2及 CH4初始转化率仅为 71.9%及 59.9%袁并且 Ni/CeO2-M 催化剂H2/CO 可达 0.9袁相对于传统催化剂提升 13%遥 上述反应结果说明对撞流反应器制备的 Ni/CeO2-M 催化剂在保持高活性的同时可以有效抑制逆水煤气(RWGS)反应袁从而提高产物中 H2的收率遥 Ni/CeO2-M催化剂相对于
13、 Ni/CeO2-B 催化剂表现出更好的稳定性院在 50h 的稳定性评价过程中袁Ni/CeO2-M催化剂的 CO2及 CH4转化率分别下降了 16%及14%曰而传统的 Ni/CeO2-B 催化剂则失活迅速袁CO2转化率从 71.9%降至 39.8%袁CH4转化率从 59.9%降至 25.1%遥 由此可以看出袁相对于传统 Ni/CeO2-B催化剂袁对撞流反应器制备的 Ni/CeO2-M 催化剂具有更好的活性及稳定性袁从而具有较大的工业应用前景遥反应温度 800益下袁CO2及 CH4转化率分别为 91%及 85%遥 分析认为袁随着对撞流料液流速的提高袁T型三通内微观混合效率提高袁从而改善了催化剂的
14、理化性质袁有利于催化剂性能的提升曰当对撞流料液流速超过最优流速后袁催化剂颗粒由于聚集而导致其均一性较差袁降低了反应活性袁这与文献中的报道相一致16袁17遥 工艺优化为后续高性能催化剂的制备及机理研究打下坚实的基础遥10080604080075070065060050mL/min100mL/min150mL/min金属盐颐沉淀剂=1颐110080604080070065060050mL/min100mL/min150mL/min金属盐颐沉淀剂=1颐1750温度/益(a)CO2转化率温度/益(b)CH4转化率图 2 对撞流料液流速对催化剂性能的影响图 3 Ni/CeO2-M 及 Ni/CeO2-B
15、 催化剂反应性能对比100806040200Ni/CeO2-MNi/CeO2-B(a)CO2转化率随时间变化100806040200100015002000250030000500时间/min(b)CH4转化率随时间变化Ni/CeO2-MNi/CeO2-B100015002000250030000500时间/min窑69窑第 10 期仉景鹏等.对撞流反应器制备高性能 Ni/CeO2甲烷干重整催化剂及其反应机理研究3.2 催化剂结构表征3.2.1 XRD 及 BET 表征对 Ni/CeO2-M 及 Ni/CeO2-B 催化剂进行 XRD表征遥 如图 4 所示袁两组催化剂均呈现出明显的立方 CeO
16、2晶相(PDF#-34-0394)袁其中在 28.6毅尧33.2毅尧47.5毅尧56.3毅尧59.1毅尧69.4毅尧76.7毅尧79.1毅处的衍射峰分别归属于 CeO2晶相的 111尧200尧220尧311尧222尧400尧331 及 420 晶面遥 位于 37.3毅和 43.3毅处较弱强度的衍射峰归属于立方 NiO 晶相(PDF#-47-1049)袁证明 Ni 元素以 NiO 的形式成功负载于 CeO2载体之上袁形成 Ni/CeO2负载型催化剂遥 通过 Scherrer 公式计算催化剂粒径发现袁Ni/CeO2-M 催化剂粒径为110nm 左右袁明显小于 Ni/CeO2-B 催化剂的粒径(约2
17、05nm)袁证明对撞流反应器可以明显减小催化剂晶粒尺寸袁主要归结于对撞流反应器优异的混合性能所形成的溶液高饱和度及均一度袁从而提高了成核速率袁有利于 CeO2晶体的均匀生长袁从而减小了催化剂晶粒尺寸遥对两组催化剂进行 N2吸脱附实验分析其比表面积的差异袁从图 5 中可以看出袁对撞流制备的 Ni/CeO2-M 在低压区内出现玉型吸附的微孔结构袁而在 0.41.0 范围内出现郁型吸附的介孔结构袁 代表其存在分级微孔/介孔结构袁 可以提供更高的比表面积遥 而传统 Ni/CeO2-B 仅在 0.41.0 范围内出现郁型回滞环吸附的介孔结构袁低压区微孔结构不明显袁代表其孔结构不如 Ni/CeO2-M 丰
18、富遥 计算得 Ni/CeO2-M 催化剂比表面积高达 127m2/g袁相对于传统Ni/CeO2-B 催化剂 41m2/g 得到很大程度的提高遥 较大的比表面积一方面有利于活性位点的暴露袁从而提高催化剂的活性曰另一方面有利于活性金属的分散袁从而增强其金属-载体相互作用袁避免催化剂的迅速失活遥3.2.2 催化剂形貌及金属分散度表征对制备的两种催化剂进行 TEM 表征袁 结果见图 6遥 从图 6 可以看出袁传统方法制备的 Ni/CeO2-B催化剂团聚严重袁呈现大的块状分布曰而对撞流反应器制备的 Ni/CeO2-M 催化剂晶粒尺寸较小袁从而有利其表面积的提升袁 这与 XRD 及 BET 表征结果相一致
19、遥 从 HRTEM 中可以看出袁传统的 Ni/CeO2-B催化剂具有锐利的 CeO2晶格衍射条纹袁说明 CeO2载体结晶度较高曰Ni/CeO2-M 催化剂晶格条纹模糊且错乱袁 较低的结晶度有利于其氧缺陷的形成袁提高了催化剂的氧空位浓度袁增强了氧物种的传递能力10袁11袁13遥利用 CO 化学滴定来计算 Ni 物种粒径以及分散度遥 如表 1 所示袁Ni/CeO2-M 催化剂的 Ni 物种粒径为 9.4nm袁分散度为 10.9%曰而 Ni/CeO2-B 催化剂的 Ni 物种粒径为 18.3nm袁分散度为 5.5%遥 Ni/CeO2-M 催化剂较小的 Ni 物种粒径及较高的分散度一方面来自于 CeO
20、2载体较高的比表面积袁 有利于金属颗粒的分散曰另一方面来自于 Ni 物种与富含氧空位载体 CeO2之间较强的金属-载体相互作用遥 结合反应评价数据分析袁较小的 Ni 粒径与较高的 Ni 颗粒分散度提升了 Ni/CeO2-M 催化剂的 DRM 活性以及高温下的抗烧结性能袁 进而提升了 DRM 反应的稳定性遥图 4 Ni/CeO2-M 及 Ni/CeO2-B 催化剂 XRD 图谱Ni/CeO2-B10203040506070802/(毅)Ni/CeO2-MCeO2-PDF 34-0394NiO图 5 Ni/CeO2-M 及 Ni/CeO2-B 催化剂 BET 图谱0.00.20.40.60.81.
21、0相对压力 P/P0Ni/CeO2-MNi/CeO2-B200160120804002023年第 28 卷窑70窑中 外 能 源SINO-GLOBAL ENERGY3.3 反应机理研究3.3.1 H2-TPR 表征利用 H2-TPR 表征考察了催化剂的氧化还原性质及金属-载体之间的相互作用遥 如图 7 所示袁Ni/CeO2-M 及 Ni/CeO2-B 催化剂在 2 个温度区间均产生了还原峰院220320益区间的还原峰为体相 NiO还原峰袁而 600700益高温区的还原峰为体相 CeO2的还原峰18袁19遥 相对于传统的 Ni/CeO2-B 催化剂袁Ni/CeO2-M 催化剂在 450益处还原峰
22、强度更高袁说明对撞流反应器制备的 Ni/CeO2-M 催化剂表面具有丰富的表面氧物种袁 并且 Ni 物种的还原峰向高温区移动袁说明 Ni 物种与 CeO2载体的相互作用更强袁这种较强相互作用将有助于提升其抗积炭和抗烧结的能力袁在高温 DRM 反应过程中保证金属物种较高的分散度袁提升催化剂的稳定性3袁5遥3.3.2 Raman 光谱表征通过 Raman 光谱进一步表征 Ni/CeO2-M 及 Ni/CeO2-B 催化剂的结构特性遥 如图 8 所示袁460cm-1尧570cm-1处的振动峰分别代表 CeO2物种的 F2g振动峰及还原产生的 Ce3+-Ov(氧空位)振动峰(OD 峰)20袁因此可通过
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 反应器 制备 性能 Ni_CeO 282 29 甲烷 重整 催化剂 及其 反应 机理 研究