临氢条件下等离子体—催化甲烷偶联制C烃的研究

摘要

甲烷是天然气的主要成分,含量一般在95％左右。自然界存在着丰富的CH4资源,开发应用它对保障21世纪能源供应意义非常重大。天然气的气态特性使它作为能源利用具有方便、干净、热效率高等优点,其物化特性使它在一碳化学、有机合成与烃加工和天然气伴生物的利用等方面,都展现出了广阔的发展前景。高压脉冲电晕等离子体是一种新型的非平衡等离子体技术,具有电子能量适中、有利于CH4分子的活化、可在常温常压下操作和能量利用效率高等优点,并已在SOx、和NOx等小分子的活化研究中得到广泛应用。本文利用脉冲电晕等离子体与催化剂结合共同作用由CH4制备了C2烃,为甲烷高效利用提供了一条新的技术路线。主要结果如下： 1.在室温常压下,高效地实现了等离子体和催化剂共同作用甲烷偶联转化,在V(CH4)/V(H2)=1:3条件下,得到了CH4转化率21.8％和C2选择性43.1％的较好结果。 2.在室温常压下,利用脉冲电晕等离子体有效地实现了在化学催化法中难以进行的临氢条件下甲烷脱氢偶联反应,在等离子体催化条件下甲烷转化率达21.8％,C2烃选择性达到43.1％；在一定实验条件下,将等离子体与适当的催化剂结合共同作用CH4/H2反应,使C2烃产物中乙烯选择性达18.4％以上,乙烯产量可达10.3％。 3.OES对等离子体作用CH4/H2反应的原位光谱诊断结果表明:CH4/H2在脉冲电晕等离子体作用下的反应是自由基反应,等离子体主要起着活化反应物和催化剂的作用,而催化剂主要是提高了产物的选择性。 4.TG、IR和XRD表征结果表明,等离子体催化CH4/H2转化反应中催化剂积碳的成分主要是无定型碳和碳氢聚合物。催化剂积碳主要来源于等离子体中高能电子直接作用CH4产生的碳物种在催化剂上生成的聚合物。

目录

文摘

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第一章文献综述

1.1甲烷转化的意义

1.2甲烷转化的途径

1.3甲烷活化的方法

1.4等离子体技术

1.5等离子体催化甲烷转化反应研究

1.6本论文的选题

第二章实验方法

2.1脉冲电晕等离子体活化CH4反应系统

2.2催化剂制备

2.3反应活性评价

2.4催化剂表征

第三章脉冲电晕等离子体催化CH4／H2反应

3.1脉冲电晕等离子体作用下CH4／H2的反应

3.2脉冲电晕等离子体与催化剂协同转化CH4／H2的反应

3.3小结

第四章等离子体催化CH4／H2转化制乙烯的反应机理的探讨

4.1 OES原位诊断系统

4.2 OES原位诊断等离子体反应的光谱分析

4.3等离子体条件下纯CH4脱氢反应的机理

4.4等离子体条件下CH4／H2脱氢反应的机理

4.5结论

第五章等离子体条件下催化剂积碳探讨

5.1 TG分析

5.2 IR分析

5.3 XRD分析

结论及进一步工作建议

参考文献

致谢

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