耐硫甲烷化反应的研究进展

耐硫甲烷化工艺对含硫气氛和低H₂/CO比均有良好的适应性,是甲烷化技术发展的重要方向。其中Mo基催化剂是研究最为广泛的耐硫甲烷化催化剂。重点介绍了Al₂O₃、ZrO₂、CeO₂和CeO₂-Al₂O₃载体以及CoO、NiO助剂对Mo基催化剂耐硫甲烷化性能的影响;分析了催化剂的硫化机理以及CoO、NiO助剂和CeO₂载体在硫化过程中的作用,指出硫化温度是影响催化剂的物种分布和催化性能的重要因素;阐述了耐硫甲烷化反应的机理;对甲烷化催化剂的研究方向进行展望。     

CeO2助剂对Ni基催化剂甲烷化性能的影响

甲烷化工艺是煤制天然气的关键技术,甲烷化催化剂则是甲烷化技术的核心。Ni基催化剂具有活性高、选择性好和价格低廉等优点,但易积炭,积炭堵塞催化剂孔道,覆盖表面金属活性位,导致催化剂失活。稀土类金属氧化物（如CeO₂、La₂O₃等）对Ni基催化剂的活性、稳定性、抗积炭性能以及活性组分的分散有明显的促进作用。采用共沉淀法制备了CeO₂-La₂O₃复合氧化物载体,负载Ni后用于CO甲烷化反应,利用N2物理吸附、XRD、H₂-TPR、XPS和TG等对催化剂结构进行表征。结果表明,Ni/CeO₂-La₂O₃中CeO₂的添加主要发挥了电子助剂的作用,CeO₂的存在提高了催化剂表面Ni0周围的电子密度,促进Ni物种的还原,同时还能提高催化剂的抗积炭能力,使催化剂表现出更好的甲烷化活性与稳定性。在V（H₂）∶V（CO）=1、反应温度450 ℃、空速24 000 h^-1和常压下,Ni/CeO₂-La₂O₃催化剂的CO转化率达82.7%。     

ZrO2添加对MoO3/Al2O3催化剂耐硫甲烷化性能的影响

采用共沉淀法制备了ZrO₂-Al₂O₃复合载体,并进一步制备了MoO₃/ZrO₂-Al₂O₃催化剂,考察了不同ZrO₂质量分数对催化剂结构及其耐硫甲烷化性能的影响。利用N₂物理吸附、X射线衍射、H₂程序升温还原和透射电子显微镜等手段对催化剂的结构进行了表征。结果表明,MoO₃/ZrO₂-Al₂O₃中ZrO₂的添加可以明显削弱MoO₃与载体间的相互作用,促进Mo物种的还原,适量ZrO₂的存在还有助于提高催化剂的比表面积,改善Mo活性相的分散性,使催化剂表现出优异的耐硫甲烷化活性。     

ZrO2-Al2O3复合载体负载Ni基催化剂COx甲烷化性能

采用浸渍和粉末压片的方法制备了两种ZrO₂-Al₂O₃复合载体并用于负载Ni基催化剂，并利用氮气等温物理吸附、X射线粉末衍射（XRD）、H₂程序升温还原（H₂-TPR）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等分析手段对催化剂物化性质进行表征，考察了ZrO₂-Al₂O₃复合载体制备方法及ZrO₂的引入对Ni基催化剂在CO、CO₂和CO-CO₂共存的3种体系下甲烷化反应活性的影响。材料表征和活性测试结果表明，在CO甲烷化体系中，与单一Al₂O₃载体相比，引入ZrO₂的复合载体能有效提高催化剂中Ni物种的分散度从而增强CO甲烷化过程中催化剂活性，且粉末压片法较浸渍法制备的复合载体能有效提高催化剂的还原度，降低还原温度，但前者会大大降低催化剂的比表面积；在CO₂甲烷化体系中，当载体形貌和制备方法相同时，载体的变化对催化剂活性的影响较小，CO₂转化率主要受到制备方法不同引起的物理性质如比表面积变化的影响；在CO-CO₂共存体系中，由于CO在竞争吸附中比CO₂更容易占据活性位点，所以呈现出优先进行CO甲烷化再进行CO₂甲烷化、CO₂的含量先增多后减少的规律。     

Ni/ZrO2催化剂的制备及甲烷分步水蒸气重整反应性能

采用沉淀法制备了ZrO₂载体,进一步采用浸渍法制备了不同Ni负载量的Ni/ZrO₂催化剂。通过XRD、N₂物理吸附、H₂-TPR和H₂-TPD等表征手段对Ni/ZrO₂催化剂的物理结构和化学特性进行了研究,探讨了活性金属Ni物种的状态,并计算了Ni粒子的大小。随着Ni负载量的增加,Ni/ZrO₂催化剂的比表面积逐渐减小,金属Ni的分散度逐渐减小,Ni粒子尺寸逐渐增大,低温H₂脱附峰所占比例逐渐增大。当Ni负载量为10.2%（质量分数）时,Ni/ZrO₂催化剂上ZrO₂晶粒的平均尺寸和Ni粒子的尺寸大小均接近30nm。进一步考察了Ni/ZrO₂催化剂在甲烷分步水蒸气重整反应中的催化性能。结果表明,Ni负载量在一定范围内的Ni/ZrO₂催化剂对于甲烷分步水蒸气重整反应具有良好的催化性能,Ni负载量过高或过低均不利于甲烷的转化。当Ni负载量为10.2%时,载体ZrO₂粒子和金属Ni粒子尺寸匹配,Ni/ZrO₂催化剂表现出最佳的甲烷转化活性和稳定性。     

B2O3负载量对MoO3/CeO2-Al2O3耐硫甲烷化性能的影响

考察B₂O₃负载量对于MoO₃/CeO₂-Al₂O₃催化剂对耐硫甲烷化活性的影响,利用BET、XRD、TEM、NH₃-TPD等手段对催化剂进行了表征。结果表明,催化剂的耐硫甲烷化活性随B₂O₃负载量增加呈现先升高后降低的变化规律;当B₂O₃负载量为0.5%时,催化剂的耐硫甲烷化活性最高,CO转化率达到55%。结合表征分析,发现添加B₂O₃会影响催化剂载体的结构和表面酸度,从而影响活性组分的分散程度,进而影响MoO₃/CeO₂-Al₂O₃催化剂的耐硫甲烷化性能。催化剂的晶化程度太高或单位面积上的强酸量太多均不利于甲烷化反应;较好的活性组分分散度有利于催化剂甲烷化活性的提高。     

制备方法对钼基耐硫甲烷化催化剂性能的影响

合成气甲烷化是煤制天然气工艺的主要过程之一。与传统的镍基催化剂相比,钼基催化剂用于耐硫甲烷化可以省去精脱硫过程和水汽变换过程,具有一定的技术和成本优势。但是钼基催化剂活性相对较低,尤其是低温活性和高温稳定性有待提高。对比研究不同方法制备的MoO₃/ZrO₂催化剂在固定床反应器上的耐硫甲烷化性能,发现采用溶液燃烧法制备的催化剂在相同条件下具有较高的耐硫甲烷化活性,当空速为5000 h^-1、反应压力为3MPa、反应温度为300℃和400℃时其CO转化率可分别达到26%和79%。催化剂的N₂物理吸附、透射电镜、X射线衍射和Raman光谱等表征结果表明,溶液燃烧法制备的催化剂具有较小的ZrO₂晶粒尺寸和较大的比表面积,活性组分Mo物种在ZrO₂载体上的分散性更好。而采用共沉淀法和浸渍法制得的MoO₃/ZrO₂催化剂存在不同程度的Mo物种团聚现象,导致其耐硫甲烷化活性较低。     

铈锆复合氧化物催化HCl氧化中相互作用机制

采用浸渍法制备了不同负载量的ZrO₂/CeO₂·（xZr/Ce）和CeO₂/ZrO₂·（yCe/Zr）两组催化剂。并采用XRD、Raman、N₂-Sorption、TEM和H₂-TPR等手段对xZr/Ce和yCe/Zr的结构和性质进行表征,并结合HCl催化氧化活性研究CeO₂与ZrO₂在反应体系中的相互作用。结果显示,CeO₂表面掺杂适量的Zr⁴⁺可以增加xZr/Ce表面氧空位浓度,提高其HCl氧化反应活性;但当CeO₂表面掺杂过量的Zr⁴⁺,Zr元素会以ZrO₂的形式存在于xZr/Ce表面,覆盖氧空位,降低了xZr/Ce的反应活性。对于yCe/Zr催化剂,ZrO₂表面高分散的CeO₂有利于催化活性的提高,但ZrO₂表层负载的CeO₂对催化活性的贡献具有阈值,当CeO₂负载量超过10%后,额外增加的铈物种对催化活性已无显著促进作用;对比发现xZr/Ce的氧空位主要来自于铈锆固溶体,yCe/Zr的氧空位主要来自于高分散的CeO₂,由铈锆固溶体产生的氧空位对活性提升更有利;与纯组分CeO₂相比,xZr/Ce与yCe/Zr两组催化剂在苛刻条件下的长期稳定性测试中均表现出高反应稳定性。     

钙钛矿锚定纳米氧化铈及其化学链干重整性能

化学链甲烷干重整(CL-DRM)可同时利用二氧化碳和甲烷两种温室气体,将其转化为可用于费托合成的合成气。采用溶胶凝胶法及浸渍法制备了一系列(Ni/CeO₂)/ABO₃(钙钛矿型)氧载体,探究Ni/CeO₂负载对钙钛矿储氧性能的影响,揭示Ni/CeO₂负载量对La_0.8Sr_0.2FeO₃钙钛矿氧载体催化活性作用规律,进一步研究氧载体的化学链循环稳定性。结果发现,CeO₂与载体La_0.8Sr_0.2FeO₃相互作用有利于钙钛矿形成氧空位,从而增强其氧迁移能力。Ni/CeO₂的负载提高了氧载体的储氧性能,增强反应活性,降低了反应初始温度,但过高的负载量将导致甲烷裂解形成积碳。当Ni/CeO₂负载量为质量分数20%时,甲烷转化率高达82%,H₂/CO物质的量比为2.1,在30次氧化还原循环后结...     

煤制天然气甲烷化催化剂及机理的研究进展

煤制天然气技术是将高碳能源转化为富氢、低碳能源的有效途径,发展以煤为原料、将合成气通过甲烷化反应制备天然气是今后煤清洁利用的重要途径。介绍了国内外煤制天然气的研究现状和甲烷化反应在煤制天然气中的应用。阐述了近年来CO、CO₂甲烷化催化剂中几种常见的氧化物负载型Ni基催化剂载体(Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、TiO₂)和催化剂助剂的制备方法以及化学结构特点,分析了一些新型催化剂载体（MWCNT、SiC、LaFeO₃）、贵金属催化剂、非晶态合金催化剂、钙钛矿催化剂的研究现状和制备方法对催化剂催化性能的影响。分别对因高温烧结、催化剂中毒和催化剂积炭在工业上引起的甲烷化催化剂失活进行分析,并提出催化剂的改进方法。阐述CO甲烷化反应的次甲基机理、表面碳机理和变换-甲院化反应机理;近年来CO₂甲烷化反应机理尽管一直存在分歧,但在催化过程中生成含碳中间物种的理论已被认同。今后甲烷化催化剂的研究方向包括开发新型甲烷化催化剂（低温催化剂、催化剂掺杂改性）、新型复合载体、抗硫催化剂（钼、钨催化剂）以及开发甲烷化新工艺和进一步深入探索甲烷化反应机理。     

ZtO2晶相形式对Ni-B/ZrO2催化剂CO选择性甲烷化性能的影响

Amorphous Ni-B/ZrO2 catalysts were prepared by coprecipitation-chemical reduction with KBH4 aqueous solution,and various crystalline phase ZrO2(amorphous-ZrO2,tetragonal-ZrO2 and monoclinic-ZrO2) supported Ni-B catalysts were obtained by thermal treatment in 5%H2-N2 stream at different temperature.The effect of ZrO2 polymorphs and the treatment temperature on the catalytic performance for the CO selective methanation were investigated,and the catalysts were characterized by N2 physisorption,Powder X-ray diffraction(XRD), Temperature-Programmed Desorption(CO-TPD and H2-TPD),and Differential Scanning Calorimeter(DSC).The treatment temperature affected strongly the crystalline structure of ZrO2,and the CO methanation activity and selectivity of the Ni-B/ZrO2 catalysts were significantly influenced by the crystalline phase of ZrO2.Of the three forms of ZrO2 polymorphs(amorphou-ZrO2,tetragonal-ZrO2 and monoclinic-ZrO2),the amorphous-ZrO2 supported nickle catalyst showed highest CO methanation activity,attributing in large part to the largest specific surface area and the optimum CO/H2 absorption intensity of the Ni-B/amorphous-ZrO2 catalyst.     

Catalytic methanation of syngas over Ni-based catalysts with different supports

Co-precipitation method was selected for the preparation of Ni/Al2O3, Ni/ZrO2 and Ni/CeO2 catalysts, and their performances in methanation were investigated in this study. The structure and surface properties of these catalysts were characterized by BET, XRD, H2-TPD, TEM and H2-TPR. The results showed that the catalytic activity at low temperature followed the order:Ni/Al2O3>Ni/ZrO2>Ni/CeO2. Ni/Al2O3 catalyst presented the best catalytic performance with the highest CH4 selectivity of 94.5%. The characterization results indicated that the dispersion of the active component Ni was the main factor affecting the catalytic activity and the one with higher dispersion gave better performance.     

Vm/MOx催化剂对柴油碳烟催化燃烧抗硫中毒性能的比较

用柠檬酸络合助溶的等体积浸渍法制备了不同载体(γ-Al2O3 、SiO2 、TiO2、ZrO2和CeO2)负载的系列钒氧化物催化剂,使用红外光谱对催化剂硫中毒老化后的结构进行表征,采用程序升温氧化反应技术评价了硫老化后的催化剂对柴油碳烟催化燃烧的活性.结果表明,负载钒基氧化物催化剂硫老化后,催化剂表面主要以亚硫酸盐物种...     

不同P与V比的Mo/VPO催化剂物相组成及其催化性能

采用有机相法制备了不同P与V物质的量比的Mo掺杂VOHPO₄·0.5H₂O前驱体,并通过体积分数为50%空气-40%氮气-10%水蒸汽混合气氛活化得到Mo/VPO催化剂,采用固定床反应器评价其催化正丁烷氧化制顺酐的性能。结果表明,Mo/VPO催化剂催化活性随P与V物质的量比的增大而降低,但顺酐选择性与P与V物质的量比并不呈线性关系,P与V物质的量比为0.9的Mo/VPO催化剂具有最佳的催化性能。XRD分析表明,Mo/VPO催化剂催化正丁烷氧化制顺酐的主要活性物相为(VO)₂P₂O₇和钒磷云母相,形成的主要因素不是P与V物质的量比,而是由焙烧条件决定。低P与V物质的量比的Mo/VPO中存在的少量V₂O₅物相能够提升催化剂的活性和顺酐选择性,但含量过高会因深度氧化降低催化性能。催化剂中存在的钒磷云母相有利于缩短催化剂稳定时间并提升催化性能。     

丙烷氧化脱氢负载型催化剂的研究

制备了V2O5/TiO2和V2O5/TiO2 ZrO2负载型催化剂,并对催化剂进行了反应评价和BET、XRD、H2-TPR表征。通过研究验证了利用溶胶凝胶技术制备的负载TiO2催化剂有较好的低温反应活性,在250℃下反应得到2 2%的丙烯收率。对TiO2进行离子掺杂后催化剂活性组分能够和混合氧化物载体进行键合,形成稳定的O—V—Zr键和O—V—Ti键,使催化剂的还原温度从480℃增加到650℃,在350℃下反应得到12%的丙烷转化率和55%的丙烯选择性。     

负载型CeO_2/OMS-2催化剂对VOCs的催化氧化性能

采用回流法合成了OMS-2,同时以OMS-2为载体,采用浸渍法负载CeO_2制备了Ce/OMS-2催化剂,运用X射线衍射、拉曼光谱、BET、H_2-TPR和NH_3-TPD等方法对催化剂进行表征,并考察CeO_2/OMS-2催化剂催化氧化二氯甲烷和乙酸乙酯的性能。结果表明,CeO_2的加入并未改变OMS-2较好的八面体分子筛结构,CeO_2的晶粒很小且以高分散的形式存在;负载CeO_2的OMS-2催化剂比表面积都有增大趋势;随着CeO_2负载量的增加,低温和高温的还原峰都先向低温方向偏移再向高温方向偏移;随着CeO_2负载量的增加,高温处强酸性峰先向低温方向偏移再向高温方向偏移。反应活性结果表明,CeO_2/OMS-2催化剂活性比载体OMS-2的活性好,随着铈负载量的增加,催化活性先升高再降低,其中,CeO_2负载质量分数为1.0%(1.0Ce/OMS-2)时催化剂效果最好,这可能是由于铈的加入活化了OMS-2中的氧,影响了整体催化剂的酸性,进而影响反应性能。     

Effect of boron addition on the MoO_3/CeO_2–Al_2O_3 catalyst in the sulfur-resistant methanation

The effect of boron on the performance of MoO_3/CeO_2–Al_2O_3 catalysts, which were prepared with impregnation method, was investigated. The catalysts were characterized with N_2 adsorption–desorption, XRD, H_2-TPR, and NH_3-TPD, and were tested in sulfur-resistant methanation. The results indicated that the MoO_3/CeO_2–Al_2O_3 catalysts modified by boron showed higher catalytic performance in sulfur-resistant methanation. The CO conversion increased from 47% to 62% with 0.5 wt% boron content. When the content of boron was under 0.5 wt%, the results suggested there was an increase in the amorphous form of MoO_3 caused by the generation of weak and intermediate acid sites, which had weakened the interaction between the active components and supports. While, the catalyst added 2.0 wt% boron showed the strong acid sites and the largest crystalline size resulting in the uneven distribution of ceria.     

Pd-CeO2/SiC催化剂的制备及其在CO和C3H6氧化反应中的催化性能

分别以蔗糖和硅酸钠为碳源和硅源,硫酸为催化剂,采用溶胶-凝胶法和碳热还原法合成SiC;以其为载体,Pd为活性组分,CeO₂为助剂,采用浸渍法制备Pd-CeO₂/SiC催化剂。考察催化剂制备方法、助剂CeO₂添加量和还原温度等对催化剂在CO和C₃H₆氧化反应中活性的影响。结果表明, 采用分步浸渍法制备的催化剂具有较高活性, CeO₂添加质量分数2%时制备的0.5%Pd-2%CeO₂/SiC催化剂经200 ℃预还原后,对CO和C₃H₆氧的最低完全转化温度分别为210 ℃和215 ℃,CeO₂助剂可显著提高金属Pd在催化剂表面分散度,与Pd产生相互作用,使Pd还原峰向低温移动,提高了催化剂活性。