NI-Mn/γ-Al2O3催化剂的制备、表征及其CO2甲烷化研究

摘要

二氧化碳甲烷化技术不但在碳资源的循环利用和环境保护方面具有十分积极的意义，而且在其他许多方面具有重要的实际应用价值，如在制备氨、合成气和纯氢过程中少量CO2和CO的脱除;潜水艇、航天器舱室内二氧化碳的去除和氧气再生;气相色谱法分析中检测符合国家标准的高纯永久性气体以及研究植物光合作用等;尤其在焦炉气、褐煤合成代用天然气方面，受到学术界和产业界的高度关注，成为煤化工发展的重要方向。
　　与一氧化碳相比，二氧化碳甲烷化反应具有较低的活化能，较低的反应温度及较高的选择性，同时在热力学和动力学上要比其他CO2催化加氢反应更加有利，由于反应体系简单也常作为理论研究加氢催化剂的探针反应。实现CO2甲烷化反应的核心是催化剂，在二氧化碳甲烷化催化剂体系中，镍基催化剂价格相对低廉，来源广泛，且活性较高，选择性好，得到人们广泛研究。
　　双组分催化剂由于第二金属的加入，除金属与载体相互作用外，两种金属间也会产生相互作用，因而会对催化剂的结构、织构及催化性能产生一定的影响。双组分催化剂对催化加氢、催化裂解等反应表现出了更优良的活性和选择性，被广泛应用于多种化工生产过程。过渡金属Mn元素由于具有多种可变的d电子结构，使其对加氢反应表现出特殊的影响，因此以锰作为助剂受到研究者的广泛青睐。本文采用浸渍法制备了一系列Ni/γ-Al2O3、Ni-M/γ-Al2O3(M=Ca、Ce、Mn)催化剂，采用连续流动微反装置考察了不同助剂对催化剂的CO2甲烷化催化性能的影响;考察了制备条件（包括负载量、浸渍方式、焙烧温度、还原温度）对Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂CO2甲烷化活性的影响并确定最优制备条件，通过N2-物理吸附、XRD、TEM、H2-TPR、H2-TPD、CO2-TPD及CO2/H2-TPSR表征，重点研究了Ni/γ-Al2O3和Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂的结构和表面性质，并深入探讨了Mn助剂的引入对催化剂上甲烷化反应物和产物分子吸脱附行为的影响，通过对比Ni/γ-Al2O3、 Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂结构和表面性质的变化以及催化剂上CO2-TPD与CO2/H2-TPSR差异，给出了Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂活性明显提高的主要原因。最后还考察了空速、原料气中CO2含量等工艺条件对Ni-Mn/γ-Al2O3催化性能的影响以及该催化剂的耐热稳定性和寿命。主要结果如下:
　　1.在相同镍负载量情况下，加入第二组分Ca、Ce、Mn后的催化剂均比Ni/γ-Al2O3催化剂CO2甲烷化活性有所提高，以Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂活性提高幅度最大。Mn负载量对Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂的CO2甲烷化催化活性影响不大;经400℃焙烧和400℃还原的10Ni-2.5Mn/γ-Al2O3催化剂表现出更高的甲烷化活性;采用共浸法比分步浸渍法制备的Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂活性高。
　　2.Mn助剂的添加没有改变催化剂的织构特征，但显著促进了催化剂中活性组分的分散，减弱了金属与载体间的相互作用，催化剂活性比表面增加，从而使得Ni-Mn/γ-Al2O3还原后活性物种数量增加，对H2、 CO2的吸附能力明显增强。
　　3.通过对催化剂上CO2-TPD和CO2/H2-TPSR对比研究发现，Mn的加入未改变催化剂表面活性中心的类型，推测甲烷化反应的途径未发生改变。脱附温度在180℃左右的中等吸附强度的吸附位是CO2的甲烷化活性中心，金属分散度的提高与还原温度的降低，使催化剂中等强度CO2吸附位增多，活性比表面增加，从而使Ni-Mn/γ-Al2O3催化剂CO2甲烷化活性提高。
　　4.在针对10Ni-2.5Mn/γ-Al2O3催化剂工艺条件及耐热稳定性和寿命的考察实验中发现，反应空速对催化活性影响较大，在考察的空速范围2000-10000h-1内，催化剂上CO2甲烷化的适宜空速在5000h-1左右;原料气中CO2含量越低，甲烷化完全转化温度越低;同时该催化剂具有良好的耐热稳定性;在200h的寿命考察实验中未见活性下降。

目录

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摘要

第一章 文献综述与课题选择

1．1 二氧化碳资源

1．1．1 二氧化碳主要来源

1．1．2 二氧化碳基本性质

1．1．3 过量二氧化碳对人类的危害

1．2 二氧化碳的分离回收、存储与转化

1．2．1 二氧化碳的分离方法

1．2．2 二氧化碳的存储方法

1．2．3 二氧化碳的转化利用

1．3 二氧化碳甲烷化研究进展

1．3．1 二氧化碳甲烷化的意义

1．3．2 二氧化碳甲烷化的原理及热力学可行性研究

1．3．3 二氧化碳甲烷化反应的催化剂体系

1．3．4 二氧化碳甲烷化反应的反应机理和动力学

1．4 选题依据及主要研究内容

第二章 论文中使用的试剂及主要测试表征方法

2．1 催化剂制备使用的试剂、仪器及装置

2．1．1 试剂

2．1．2 仪器

2．2 催化剂的表征

2．2．1 N2-物理吸附表征

2．2．2 XRD表征

2．2．3 TEM表征

2．2．4 H2-TPR表征

2．2．5 H2-TPD表征

2．2．6 CO2-TPD表征

2．2．7 程序升温表面反应(TPSR)表征

2．3 CO2甲烷化活性评价

第三章 催化剂的制备及其CO2甲烷化催化活性

3．1 引言

3．2 催化剂的制备

3．3 催化剂的活性评价

3．3．1 第二组分对Ni／γ-Al2O3催化剂CO2甲烷化催化活性的影响

3．3．2 Mn含量对催化剂CO2甲烷化催化活性的影响

3．3．3 浸渍顺序对催化剂CO2甲烷化催化活性的影响

3．3．4 焙烧温度对催化剂CO2甲烷化催化活性的影响

3．3．5 还原温度对催化剂CO2甲烷化催化活性的影响

3．4 本章小结

第四章 Ni-Mn／γ-Al2O3催化剂结构和表面性质

4．1 引言

4．2 催化剂的表征

4．2．1 N2-物理吸附表征

4．2．2 催化剂的XRD表征

4．2．3 催化剂的TEM分析

4．2．4 催化剂的H2-TPR表征

4．2．5 催化剂的H2-TPD表征

4．2．6 催化剂的CO2-TPD表征

4．2．7 催化剂的CO2／H2-TPSR表征

4．3 本章小结

第五章 催化剂上CO2甲烷化反应工艺条件的考察

5．1 引言

5．2 空速对催化性能的影响

5．3 原料气中CO2含量对甲烷化反应性能的影响

5．4 催化剂的耐热稳定性测试

5．5 催化剂使用寿命的考察

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 引言

6．2 工作总结

6．3 论文的创新性

6．4 后续工作设想

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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