瞬变应答法研究CO_2甲烷化的反应过程机理

本文以瞬变应答法研究了CO_2在镍催化剂上甲烷化反应过程的机理。通过对响应曲线的分析指出H_2和CO_2在催化剂活性中心上发生竞争吸附。CO_2的甲烷化存在着两条平行路径,一是解离吸附的H_2与气相CO_2反应生成CO,再进一步加氢生成CH_4;另一路径是吸附的H_2和吸附的CO_2发生反应,生成中间化合物,进一步加氢生成CH_4,它不经由生成CO。这两步平行的基元反应也是总反应的控制步骤。     

担载型镍基催化剂上甲烷二氧化碳重整反应机理的研究

采用TPSR、TPD和脉冲反应等方法对担载型镍基催化剂上甲烷二氧化碳重整反应过程中二者的吸附和解离行为进行了详尽的研究．结果表明：CH4在镍基催化剂表面被吸附时至少可解离为三种表面碳物种——Cα、Cβ和Cγ．其中完全脱氢的Cα物种是活泼的反应中间体，而石墨态的Cγ物种则可能是造成催化剂积碳的前身物．高温下部分脱氢的Cβ物种可与H2或CO2反应生成CH或CO．另一方面，CO2仅在该催化剂表面发生弱吸附且只形成一种吸附态．在此基础上推测出甲烷二氧化碳重整反应的协同作用机理．     

镍基上甲烷与二氧化碳脱氢重整机理的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)及二级微扰(MP2)方法对使用镍基催化剂上甲烷的逐步脱氢后与CO2发生重整反应制合成气的机理进行了研究.计算结果表明,甲烷进行4步脱氢后生成镍基碳,同时释放出氢气,镍基碳再与CO2反应生成CO.反应分5步进行,其焓变分别为-104.310,52.501,55.135,315.602,-202.164 kJ/mol.5步反应的活化能表明第1步和第5步反应较易进行,反应的速控步骤是第4步,其正反应的活化能为577.610 kJ/mol.     

ZrO_2/Al_2O_3复合载体镍基催化剂CO甲烷化反应本征动力学

采用固定床反应器,研究了复合载体镍基催化剂上的CO甲烷化反应。在温度为250~440℃,压力为0.1~2.5 MPa,原料气配比(nH2/nCO)为1.0~4.5的情况下,考察了操作条件对复合载体镍基催化剂甲烷化反应的影响。实验结果表明:CO转化率、CH4的选择性均随着反应温度、反应压力的升高而增加;当反应温度达到340℃时,CO转化率最高;当nH2/nCO=3.0时,具有较高的CO转化率和CH4的选择性。通过正交法设计实验,测定了甲烷化反应动力学数据。以双曲型动力学方程建立了以各组分逸度表示的CH4和CO2反应动力学模型,并用最大继承法对参数进行估值,获得动力学参数。残差分析及统计检验表明动力学模型是适宜的。     

在Rh/SiO_2催化剂上CO反应性能的研究

本文利用装备有程序控温反应池、抽空和质谱检测脱附物系统的FT—IR,在室温条件下研究了CO在Rh/SiO_2催化剂上的化学吸附态及其与O_2、NO、H_2的反应性能。实验站果表明:CO在Rh/SiO_2催化剂上存在着Rh(CO)_2[Ⅰ]、Rh(CO)[Ⅱ]和Rh_2(CO)[Ⅲ]三种化学吸附态;它们与O_2及H_2的反应活性顺序是[Ⅰ]>[Ⅱ](?)[Ⅲ];NO能从催化剂表面上置换CO吸附态[Ⅱ],並相应在此吸附位上产生两种吸附态Rh(NO)及RhO_2(NO);通过对CO和H_2共吸附、吸附的CO和H_2反应及H_2CO吸附的化学吸附态的检测及其脱附产物的质谱分析,说明了在Rh/SiO_2催化剂上CO和H_2反应过程中无H_2CO中间物产生。     

高稳定性网状Ni/ZrO_2催化剂CO甲烷化性能研究

合成具有抗烧结和抗积碳性能的Ni基催化剂是CO甲烷化催化剂设计的难点,而利用催化剂载体特定的结构对活性金属纳米颗粒的空间限域效应是提高镍基催化剂活性和稳定性的有效策略。以一步法制备的Ni/UiO-66为前驱体,经焙烧和还原,获得了一系列具有网状结构的Ni/ZrO_2催化剂。针对反应强放热的特点,三维网状结构在稳定镍颗粒的同时,三维空隙结构能够有效移除反应中的局部热点,并且金属Ni与载体ZrO_2紧密的界面结构有效地提升了催化剂的活性和稳定性。结果表明,一步法制备的Ni/ZrO_2催化剂的反应活性和稳定性均优于浸渍法制备的Ni/t-ZrO_2催化剂,在压力1 MPa,t=325℃,WHSV=15 000 mL·g~(-1)·min~(-1)条件下,Ni/ZrO_2-N催化剂的CO转化率达到86%,反应120 h后催化剂网状结构保留完好,反应活性和选择性保持稳定。CO甲烷化结果表明,网状结构催化剂的设计策略可以拓展至对其他活性金属进行限域以提升其反应活性和稳定性。     

Ca~(2+)、Mg~(2+)在MCM-41离子交换制备镍基催化剂对合成气甲烷化的性能分析

煤制天然气符合煤炭清洁利用的发展要求,其中合成气甲烷化是关键步骤,而合成气甲烷化催化剂则是关键的核心。为了探索高效、稳定的合成气甲烷化催化剂,本文采用过量浸渍法制取镍基催化剂,并采用离子交换法在载体MCM-41加入碱土金属Ca2+、Mg2+探索对催化剂活性的影响。研究结果表明:在n(H2)∶n(CO)=3∶1、反应压力1.5 MPa、反应温度350℃及质量空速30000 h-1的反应条件下,碱土改性的Ni/Mg O-MCM-41催化剂CO的转化率为99%,催化剂选择性达到90.4%;在250℃时碱土改性催化剂表现出良好的低温活性,比Ni/MCM-41的活性高60%;碱土改性催化剂高温活性稳定,在550℃时活性测试未出现明显下降。经过一系列表征和分析可知:镍颗粒细小的分布在载体表面,与载体有强相互作用并且碱土助剂Ca2+、Mg2+阻止了镍颗粒的烧结。     

镍催化剂硫中毒的研究

本文研究了CO、H_2S和C_4H_4S在Ni/γ-Al_2O_3上的化学吸附过程。实验证明,用CO在-72℃的化学吸附测定催化剂的金属表面积,是一个可行的方法。CO不吸附在被毒物掩盖的表面上。S复盖度在0.4以下,毒物S对CO在未复盖的镍表面上的吸附没有影响;复盖度超过0.4.随着复盖度增加,S明显地阻碍CO的吸附。10Vpm~(?)H_2S在H_2中的混合气体,在300—500℃下,经过约20小时的化学吸附,形成饱和吸附层,S与表面Ni原子比例为0.53,0.1%(V/V)C_4H_4S在H_2中的混合气体,在20℃经过约20小时的吸附,形成饱和吸附层。表面Ni原子与C_4H_4S分子比例为4.95。噻吩以非解离方式占据着4.95个表面Ni中心。中毒催化剂在600℃,H_2气流下经过约50小时,可以完全再生。     

高分散Ni/Al2O3-CeO2催化剂的制备及其甲烷干重整性能研究

以离子交换逆负载法合成了以氧化铝和氧化铈为载体的高分散镍基催化剂,通过溶度积的(Ksp)驱动将Ni负载在氧化物载体上,得到了用于甲烷干重整的高分散催化剂.采用XRD、TEM、N₂物理吸附-脱附等表征手段表征了催化剂的物理化学性质,使用固定床反应器评价其催化性能,研究了催化剂中CeO₂含量对甲烷干重整性能的影响.结果表明：在低CeO₂含量时(Ce质量分数为3.4%),催化剂具有较高活性和稳定性,产物H₂/CO比约等于1,反应后催化剂活性金属轻微烧结,积碳最少.     

临氢条件下CO偶联合成草酸二乙酯反应的原位红外研究

利用原位红外光谱技术测定了临氢条件下CO和亚硝酸乙酯在催化剂上吸附的红外光谱,发现氢气会影响CO在催化剂活性中心上的吸附,且氢气与CO会发生甲烷化反应,氢气与亚硝酸乙酯反应生成乙醇和少量的乙腈,因此,CO催化偶联反应中加入氢气后,CO的转化率和草酸二乙酯选择性均降低。     

气体组分对绝热甲烷化反应影响模拟计算

采用Aspen Plus模拟软件,通过理论假设和模型简化,选取典型甲烷化反应原料气体,进行气体组分对绝热甲烷化反应影响的模拟研究,研究结果表明:绝热甲烷化反应器出口温度随H_2、CO浓度增加而增加,随CH_4、CO_2、N_2和H_2O浓度增加而降低,其中CH_4和H_2O的变化影响较为显著。∑CO+CO_2的总碳转化率随CO、CO2浓度的增加而降低,随H_2浓度增加而快速增加。     

添加氯离子对Ni/CeO2催化剂CO选择甲烷化反应催化性能的促进

采用浸渍方法制备NiO(Cl_x)/CeO₂系列样品,经还原后得到Ni(Cl_x)/CeO₂催化剂,用于富氢气体中CO的选择甲烷化反应,考察Cl/Ce原子比(x)对CO选择甲烷化反应活性的影响. 结果表明,添加氯离子能够显著抑制CO₂甲烷化反应,因而可使富氢气体中CO浓度降至10-5以下并且CO甲烷化反应选择性不低于50%,满足质子交换膜燃料电池对燃料的要求. 通过CO和CO₂吸附实验、程序升温还原(TPR)测定以及物相组成和晶粒尺寸分析,揭示添加氯离子的作用.      

焙烧温度对Ni-Al_2O_3甲烷化催化剂性能的影响

以偏铝酸钠和硝酸镍为原料,采用均匀沉淀法制备出Ni质量分数为40%的Ni-Al2O3催化剂,考察了不同焙烧温度(350,450,550,650,750℃)下制备的催化剂在CO甲烷化反应中的催化活性,使用TG-DTG、N2吸附、XRD、H2-TPR和H2化学吸附分析了催化剂的织构、晶相和活性金属的化学形态。结果表明,随着焙烧温度的上升,Ni与Al2O3载体之间的相互作用逐渐变强,形成大量的NiAl2O4,在450℃焙烧的催化剂活性最佳,在压力1.0 MPa、空速20 000mL/(g·h)和温度220℃的反应条件下,CO转化率达到99%以上;随着焙烧温度的增加,催化剂活性与镍的活性比表面积变化趋势一致,先增加、后降低,表明催化剂镍的活性比表面积影响其活性。     

Sm_2O_3对Ni/Sepiolite催化剂CO和CO_2甲烷化的影响

采用浸渍法制备了Ni/Sepiolite及Ni_Sm/Sepiolite催化剂 ,并测定了催化剂的CO和CO2 甲烷化活性。用TPR、H2 _TPD、CO化学吸附和XPS等手段研究了催化剂的表面性质。结果表明 ,Sm2 O3的加入提高了Ni/Sepio lite催化剂的CO和CO2 甲烷化活性 ,增加了催化剂中Ni的分散度、活性表面积 ,降低了电子结合能     

焙烧温度对Ni-Fe/γ-Al_2O_3催化剂一氧化碳甲烷化性能的影响

采用浸渍法制备了6%Ni-4%Fe/γ-Al2O3催化剂,在不同温度（300℃,400℃,500℃,600℃）下进行焙烧,利用连续流动微反装置考察了催化剂的CO低温甲烷化活性,并对催化剂进行了TPR,H2-TPD和CO-TPD表征。结果表明,与其他焙烧温度相比,400℃焙烧的催化剂CO的完全转化温度为220℃,CO甲烷化活性更高;TPR,H2-TPD和CO-TPD表征发现,400℃焙烧的催化剂更易还原,对H2、CO吸附量更多,因而表现出更高的甲烷化活性。     

中温变换反应动力学模型参数估值序贯实验设计

本文根据中温变换B109催化剂在常压下反应CO H_2O(?)CO_2 H_2动力学实验所得到的二十套测定数据,应用参数估计序贯实验设计的原理优选实验点位置,并进行幂函数型本征动力学方程的参数估值。应用上法求得的中温变换幂函数型动力学方程为Rate=0.1380×10~7exp(-0.2312×10~5/RT)y_(CO)~(0.7701)y_(H_2O)~(-0.0700)y_(CO_2)~(-0.4415)y_(H_2)~(-0.0247)(1-y_(CO_2)y_(H_2)/K_yy_(CO)y_(H_2O))mol/g·h 其中:y_(CO)、y_(H_2O)、y_(CO_2)、y_(H_2)分别为CO、H_2O,CO_2、H_2的湿基摩尔分率;K_y为以组分摩尔分率表示的反应平衡常数。本文提供了一个应用序贯实验设计的方法进行动力学模型参数估值、参数置信区域的估计及其实验点位置优选的动力学研究方法的实例。     

甲烷水蒸汽转化反应的动力学与机理

使用CD—1型无梯度反应器(反应条件:645—794℃,30公斤/厘米~2,水气比3:1—5:1).测定了CN—7转化催化剂(负载于Al_2O_3的镍催化剂上).甲烷蒸汽转化动力学,提出了在高温中压下镍催化剂上的反应机理,主要包括甲烷的解离吸附(速度控制步骤),水的解离吸附,以及新生产物的中间反应.由此导出的动力学方程与实验数据符合.     

合成气制乙醇铑催化剂中助剂的作用

促进型铑催化剂上,测定CO吸附的IR光谱和铑的分散度,结果表明:线吸附CO的谱带基本不变,桥CO谱带红移且变宽。变化顺序为Rh-Mn>Rb-Mn-Fe-Li>Rh-Fe>Rh-Li>Rh。该变化归因于助剂对吸附CO氧端络合而形成的η~2-CO物种,并可作为活性中心亲氧能力强弱的相对尺度,Rh·Mn/SiO_2上,测量CO/H_2的IR光谱,发现了归属于甲酰基的谱带;说明甲酰基是反应中间物,并测定各催化剂活性和选择性,基于这些结果和蔡启瑞等曾提出的氢助解离乙烯酮机理,能较合理地探讨了助剂的协合催化作用,本研究再次为上述机理提供另一重要实验证据。     

脉冲热重差热法研究三种工业镍催化剂上一氧化碳甲烷化反应

用脉冲热重差热法考察了三种工业甲烷化镍催化剂,并用Ni/Al_2O_3催化剂作对照。实验表明含镧催化剂镍的分散度,一氧化碳吸附热均高于对应的不含镧催化剂,生成甲烷的转化频率也是含镧考高。含镧催化剂反应过程积炭较多,这些催化剂积炭后一氧化碳吸附量下降不多,但对甲烷生成量的影响较大,这意味着生成甲烷需要较大的活性集团。     

流化床上甲烷催化转化制合成气Ni/SiO2催化剂性能研究

考察了流化床上Ni／SiO2催化剂对甲烷部分氧化和甲烷二氧化碳重整耦合反应的催化性能．研究了Ni负载量，反应温度、预还原温度对催化性能的影响．结果表明，镍基催化剂具有很高的初活性，但是在线反应6h后催化剂很快失活．TG、XRD和TEM分析结果显示高温下镍晶粒的聚集长大是催化剂活性显著下降的主要原因．