二维蛭石基催化剂的制备及其在合成气甲烷化中的应用

摘要

伴随着世界经济的迅速发展和人口的急剧增加，能源消费量不断增长，近年来石油燃料日益匮乏、天然气供不应求，加之我国能源结构特点为富煤、贫油、少气，煤的清洁利用技术对缓解我国的能源危机有重要意义，煤清洁化利用的一个重要途径是煤制天然气。煤制天然气的关键是催化剂，综合催化性能和催化剂的成本，Ni是最理性的催化剂活性组分，然而在甲烷化反应过程中催化剂活性组分易团聚烧结和积碳，造成催化剂的失活，采用合适的催化剂载体可抑制催化剂活性组分的团聚烧结并提升催化剂的抗积碳性能，从而提高催化剂的催化性能与稳定性。
　　二维材料的研究自单层石墨烯被成功制备出来之后进入一个突飞猛进的时代，二维材料具有较大的比表面积，大量配位不饱和的表面原子，具有原子厚度的平面结构，以及确定的暴露晶面等性质被广泛应用于电催化、多相催化以及单原子催化中，在未来的多相催化领域二维材料将会有更广阔的应用前景。
　　蛭石作为一种天然的二维材料，有良好的机械性能、阳离子交换、吸附性、膨胀性能等，且其层间距可调、吸附性能佳、阳离子交换容量大、机械强度大、耐磨性强等，很适合作为催化剂载体。甲烷化反应常用的催化剂载体为 Al2O3，MgO，TiO2，SiO2，ZrO2等，蛭石作为一种天然的镁铝硅酸盐非金属矿石，拥有 Mg，Al，Si，Ca，Fe，Ti等元素，适合作为甲烷化催化剂载体。新疆尉犁蛭石和煤储量丰富，以蛭石作为煤制天然气催化剂载体，可同时提高新疆尉犁蛭石的利用价值并实现煤的清洁化利用。
　　一、二维膨胀蛭石负载Ni作为催化剂在甲烷化反应中的应用。以双氧水为膨胀剂将原蛭石膨胀制备出膨胀蛭石，并用做甲烷化反应催化剂载体，研究其甲烷化性能。由于蛭石比表面积较小，经过传统马弗炉焙烧所得到的催化剂催化NiO颗粒比较大，且催化性能不理想。改变加热方式，使用微波炉700W加热4 min所制备的催化剂NiO颗粒比较小且分散比较均匀，同时也表现出了良好的甲烷化性能。400℃时微波辅助制备的催化剂达到99.6％ CO转化率，93.8%的CH4选择性，远优于普通加热焙烧催化剂的催化性能。
　　二、二维蛭石基 SiO2纳米筛负载 Ni作为催化剂在甲烷化反应中的应用。通过混合酸处理膨胀蛭石除去蛭石中的其他组分以制备二维SiO2纳米筛，并将其用作甲烷化催化剂载体，也是首次将二维的SiO2用于甲烷化反应。相比于三维MCM-41分子筛，二维SiO2纳米筛制备的催化剂有更好的甲烷化催化性能。主要是三维的MCM-41分子筛孔道容易被较大的Ni颗粒堵塞，导致在反应过程中处于孔道内的活性组分不能参与催化反应，而二维的 SiO2为二维平面结构且表面有很多直径接近2 nm的小孔，能够固定住Ni颗粒，使其在甲烷化过程中不易团聚长大，从而有更好的催化性能。
　　三、二维蛭石基水滑石负载Ni作为催化剂在甲烷化反应中的应用。通过混合酸处理膨胀蛭石的废液中含有大量的Mg2+，Al3+离子，并含有少量的Ca，Fe，Ti元素，将其制备成水滑石，该水滑石不仅含Mg，Al两种组分，而且还含有少量的Ca，Fe等元素，而Ca，Fe是甲烷化催化剂的良好助剂，能够减小活性组分金属的颗粒，提升活性金属组分的分散程度，并改善活性金属组分与催化剂载体之间的相互作用力。因此，这种含Ca，Fe等元素的蛭石基水滑石为载体所制备的催化剂比于纯MgAl水滑石为载体所制备的催化剂有更好的甲烷化催化性能。

目录

声明

第一章：综述

1.1 二维材料的定义

1.2 二维材料的性质

1.3 二维材料的合成方法

1.4 二维材料在催化领域的应用

1.5 蛭石

1.6合成气甲烷化研究进展

第二章：实验部分

2.1实验原料

2.2载体与催化剂表征方法

2.3 催化剂的评价

2.4 测试结果分析

第三章：微波辅助制备蛭石基催化剂及其甲烷化性能研究

3.1 引言

3.2 催化剂的制备

3.3 结果与讨论

3.4 本章小节

第四章：二维蛭石基SiO2纳米筛负载镍作为催化剂在甲烷化反应中的应用

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.5.本章小结

第五章：二维蛭石基水滑石负载镍作为催化剂及甲烷化性能研究

5.1引言

5.2 水滑石以及催化剂的制备

5.3 结果与讨论

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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