二氧化碳甲烷化催化剂的研究进展

CO₂催化加氢甲烷化反应是温室气体CO₂资源化利用的有效途径之一。本文回顾了CO₂催化加氢甲烷化催化剂的研究现状, 其中Ni基催化剂是研究最为广泛的CO₂甲烷化催化剂。重点介绍了Al₂O₃、SiO₂和La₂O₃载体及CeO₂和La₂O₃助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响, 阐述了载体的结构、电子性能、化学性能和助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响。结合几种非Ni基CO₂甲烷化催化剂的对比研究发现, 具有有序介孔结构的Co基催化剂也表现出了优越的CO₂甲烷化性能。由此表明, 催化剂新颖的结构也是影响CO₂甲烷化性能的重要因素, 通过催化剂结构、组成等的调变, 能实现CO₂低温高效甲烷化, 为CO₂甲烷化工业化进程奠定基础。     

CO2甲烷化催化剂的研究进展

CO₂甲烷化反应因其可以将温室气体CO₂转化为清洁能源(CH₄)而受到广泛关注。本文介绍了CO₂甲烷化反应的机理与热力学研究进展,分析了CO₂甲烷化催化剂活性中心、粒子尺寸和载体效应对催化剂反应性能的影响规律。介绍了高熵合金、溶出型金属等新型催化剂在CO₂甲烷化反应中的应用,总结了影响Ni基CO₂甲烷化催化剂反应稳定性的2个主要因素(粒子烧结和硫中毒)以及提高Ni基催化剂抗烧结和抗硫中毒的举措(利用限域效应、添加CeO₂等),从而为新型CO₂甲烷化催化剂的研究和开发提供理论基础。最后,对CO₂甲烷化催化剂的研究开发进行了展望。     

不同载体负载的Mo基甲烷化催化剂

研究γ-Al₂O₃、CeO₂和ZrO₂负载的Mo基催化剂性质及其甲烷化性能。采用N2物理吸附、H₂程序升温还原、X射线衍射和透射电镜对催化剂进行表征,使用固定床,在550 ℃、3 MPa、5 000 h^-1、V(H₂)∶V（CO）=1.0且含有H2S的合成气中对催化剂甲烷化性能进行测试。结果表明,3种载体中,Mo在ZrO₂载体上分散度最高,甲烷化反应中Mo/ZrO₂催化剂活性最高; CeO₂负载的Mo相抗烧结能力最强,甲烷化反应中Mo/CeO₂催化剂稳定性最好。     

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。     

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。     

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。     

碱/碱土金属修饰Ni基催化剂的CO2吸附与甲烷化性能

采用分步浸渍法制备了碱/碱土金属修饰Ni基催化剂Ni-M/Al₂O₃ (M=K₂CO₃, Na₂CO₃, MgO, CaO)。探究了碱/碱土金属的添加对改性Ni基催化剂CO₂吸附和甲烷化性能的影响。研究发现,碱/碱土金属的添加提高了Ni/Al₂O₃催化剂表面的碱性活性位点密度,强化了其CO₂吸附性能。碱/碱土金属类型影响Ni-M/Al₂O₃催化剂碱性活性位点的分布、NiO物相的转化及Ni的分散度,进而影响其甲烷化性能。MgO添加使NiO物相转化为与载体呈强相互作用的β型和γ型NiO,降低了催化剂表面的强碱性活性位点比例,有利于CO₂吸附活化。Ni-MgO/Al₂O₃的CO₂吸附容量最高为0.68mmolCO₂/g,其CO₂转化率和CH₄选择性分别高达58.4%和95.4%,其在烟气CO₂捕集与原位甲烷化中极具应用前景。     

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%。     

负载型NiO-La2O3催化剂在CO2甲烷化反应中的研究

将二氧化碳转化为易于储存和运输的高热值燃料——甲烷,不仅可以缓解温室效应,也是解决能源短缺的有效途径。本文采用柠檬酸络合的等体积超声浸渍法制备一系列NiO-La₂O₃/SiO₂催化剂,其中镍和镧的摩尔比为1:1,并采用XRD、H₂-TPR表征技术对NiO-La₂O₃/SiO₂催化剂的结构和物化性质进行了研究。考察了NiO-La₂O₃的负载量对CO₂甲烷化反应性能的影响。结果表明,10%NiO-La₂O₃/SiO₂催化剂表现出最优的CO₂甲烷化反应性能,且在450℃时表现出最佳的反应活性,CO₂转化率和CH₄选择性分别为59.3%和60.8%。     

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。     

MgO添加量对CO甲烷化Ni-Al2O3催化剂结构和性能的影响

采用溶液燃烧法制备CO甲烷化Ni基催化剂,考察助剂MgO添加量对催化剂结构和性能的影响,并探讨MgO添加量-催化剂结构-CO甲烷化性能的构效关系。结果表明,MgO添加质量分数6%的催化剂具有适当的还原温度,其CO转化率、CH 4选择性和收率分别高达99%、97%和94.5%。催化剂寿命实验表明,在24 h反应时间内,6%MgO添加量的催化剂上CO转化率和CH 4选择性分别高达96%和94%以上,表现出较高的活性、选择性和稳定性。     

Performance of Ni/Nano-ZrO2catalysts for CO preferential methanation简

Large surface areas nano-scale zirconia was prepared by the self-assembly route and was employed as support in nickel catalysts for the CO selective methanation. The effects of Ni loading and the catalyst calcination temperature on the performance of the catalyst for CO selective methanation reaction were investigated. The cata- lysts were characterized by Brunauer-Emmett-Teller （BET）, transmission electron microscope （TEM）, X-ray dif- fraction （XRD） and temperature-programmed reduction （TPR）. The results showed that the as-synthesized Ni/nano-ZrO2 catalysts presented high activity for CO methanation due to the interaction between Ni active particle and nano zir- conia support. The selectivity for the CO methanation influenced significantly by the particle size of the active Ni species. The exorbitant calcination resulted in the conglomeration of dispersive Ni particles and led to the decrease of CO methanation selectivity. Among the catalysts studied, the 7.5% （by mass） Ni/ZrO2 catalyst calcinated at 500℃ was the most effective for the CO selective methanation. It can preferentially catalyze the CO methanation with a higher 99% conversion in the CO/CO2 competitive methanation system over the temperature range of 260-280℃, while keeping the CO2 conversion relatively low.     

前驱体对Ru/CeO_2-ZrO_2-Al_2O_3催化剂CO选择性甲烷化的影响

以CeO_2-ZrO_2-Al_2O_3复合氧化物为载体,采用分步等体积浸渍法制备了不同Ru负载量及不同Ru前驱体的催化剂,并考察了这些因素对催化剂CO选择性甲烷化活性及为燃料电池供氢操作温度窗口的影响。结果表明,Ru负载量为1%的催化剂具有较好的CO选择性甲烷化活性及最宽的操作温度窗口;以Ru(NO)(NO_3)_3为前驱体制备的催化剂,Ru金属分散度较差,低温CO甲烷化活性较低,高温CO甲烷化选择性较差,操作温度窗口仅为15℃;以RuCl_3·xH_2O为前驱体制备的催化剂具有良好的CO选择性、甲烷化活性及60℃操作温度窗口,且水洗除氯操作对催化剂性能影响不明显。     

低温耐硫甲烷化催化剂硫化过程

采用燃烧法制备MoO₃/ZrO₂催化剂,该催化剂由于具有比表面积大、粒径小的优点,表现出很高的低温耐硫甲烷化活性。通过考察硫化工艺条件的影响发现,硫化过程中硫化时间、硫化压力、硫化氢浓度的影响不大,而硫化温度的影响较明显,300℃下恒温硫化效果最佳,表征结果表明,300℃下恒温硫化可以使催化剂完全硫化,得到较多的MoS₂晶格条纹,有利于提高催化剂的甲烷化活性。恒温硫化时,硫化温度低于300℃时,催化剂硫化不完全,形成的MoS₂晶格条纹较少;硫化温度过高会导致催化剂过度硫化并发生团聚,从而导致催化剂的耐硫甲烷化活性降低。分步硫化时目标温度为400℃时效果最佳,且与300℃恒温硫化的效果接近,对于MoO₃/ZrO₂催化剂,可选择300℃恒温硫化,适宜的硫化条件为：硫化压力0.1 MPa,硫化温度300℃,硫化氢浓度3% H₂S/H₂,硫化时间4 h。     

MgO含量对高温甲烷化催化剂性能的影响

采用共沉淀法制备以Ni为活性组分的Ni-Mg-Al-O高温甲烷化催化剂,考察MgO质量分数为8%、10%、12%和14%时对催化剂性能的影响,并采用N2低温吸附、XRD、H2-TPR和H2-脉冲化学吸附对样品进行表征。结果表明,MgO质量分数超过10%时,会增加活性组分与载体间的相互作用,提高Ni O的还原温度,降低活性组分的分散度;MgO质量分数为10%时有助于提高催化剂的低温催化活性和高温稳定性。     

EFFECT OF REDUCTION CONDITIONS ON THE ACTIVITY OF Ni/γAl2O3 CATALYST FOR METHANATION REACTION

The effect of reduction conditions, mainly reduction temperature and duration time on the activity of Ni/γAl₂O₃ catalyst were studied for a methanation reaction in a gradientless Berty reactor. The methanation reaction was investigated using a feed containing CO (6.7 mole%), H₂ (26 mole%) and the balance being nitrogen at a pressure of 30 psig and a fixed temperature of 350°C. The reduction temperature was varying from 250 to 500°C, in order to investigate its effect on the methanation reaction. The methanation activity of the catalyst increased to a maximum by increasing the reduction temperature up to a maximum at 300-350°C and showed a slight negative decline afterward. The second parameter investigated was reduction duration time which was varied from 2 to 16 hours. It was observed that the methanation reaction activity increased by increasing the reduction duration time up to 6 hours. After six hours, there was no increase in activity. Based on the finding of this investigation, a recommended set of reduction conditions is given: reduction temperature of 300°C and a duration time of six hours.     

Promotion effect of Re additive on the bifunctional Ni catalysts for methanation coupling with water gas shift of biogas: Insights from activation energy

The cheap manganese sand was first modified by H₂O₂ and was further creatively utilized as Ni-based catalyst support. In order to enhance the catalytic performance, Re was added into the Ni-based catalyst and the promotion effect of Re on the methanation coupling with water gas shift of biogas was investigated from the perspective of activation energy. It was found that CH₄ and CO₂ formation rates, which separately represented the reaction rate of methanation and water gas shift, were both enhanced after Re addition compared to non-added catalyst. Two kinetics models including empirical model and K-model were employed and from the results of calculation, it showed that Re selectively decreased the activation energy of methanation reaction and had little impact on the activation energy of water gas shift. The increased CO₂ formation rate was owing to the assistance of accelerated H₂O production from methanation rather than the activation energy change in water gas shift.