Ni/CeO2前驱体分解方法对CO甲烷化活性的影响

张晓珊 芮宁 贾忻宇 胡雪 刘昌俊

引用本文: 张晓珊,  芮宁,  贾忻宇,  胡雪,  刘昌俊. Ni/CeO2前驱体分解方法对CO甲烷化活性的影响[J]. 催化学报, 2019, 40(4): 495-503. doi: S1872-2067(19)63289-4 shu
Citation:  Xiaoshan Zhang,  Ning Rui,  Xinyu Jia,  Xue Hu,  Chang-jun Liu. Effect of decomposition of catalyst precursor on Ni/CeO2 activity for CO methanation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(4): 495-503. doi: S1872-2067(19)63289-4 shu

Ni/CeO2前驱体分解方法对CO甲烷化活性的影响

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21476157,21536008,21621004);国家重点研发计划(2016YFB0600902).

摘要: CO甲烷化制备合成天然气是煤化工的重要过程之一,也是合成氨过程和燃料电池除去痕量CO的重要反应.CO甲烷化催化剂包括贵金属催化剂和镍基催化剂.其中,镍基催化剂由于具有较好的活性以及较低的成本受到广泛的重视.目前,镍基CO甲烷化催化剂仍需解决的问题是提高低温活性以及抗积碳性能.目前的改进方法主要包括:(1)控制催化剂尺寸;(2)控制催化剂结构;(3)提高Ni-载体的相互作用;(4)使用结构可控的载体;(5)改进载体性质.其中,通过控制催化剂尺寸来控制催化剂结构是一种有效的改进方式.使用冷等离子体来分解镍前驱体是一种快速有效的制备尺寸小、分散度好的镍基催化剂的方法.
本文使用常压介质阻挡放电等离子体(150℃左右)分解硝酸镍前驱体,得到的催化剂再经过500℃氢气还原得到高分散Ni/CeO2催化剂.作为对比,同时采用常规热焙烧方法分解硝酸镍制备了催化剂.对催化剂进行了X射线衍射(XRD)、CO脉冲化学吸附、CO程序升温脱附(CO-TPD)、CO红外漫反射光谱(CO-DFTIR)及X射线光电子能谱(XPS)等分析,同时进行了CO甲烷化反应活性和300℃下稳定性测试,发现等离子体分解制备得到的催化剂具有更好的CO低温甲烷化性能、更高的CH4选择性、更好的低温稳定性和抗积碳性能.在250℃时,等离子体分解法制备的催化剂上的CO转化率能达到96.8%,CH4选择性接近100%,但是热焙烧分解制备的催化剂上却只有14.7%的CO转化率.在低温(300℃)稳定性测试中,等离子体分解制备的催化剂具有优异的稳定性.与常规热焙烧方法得到的催化剂相比,等离子体制备得到的催化剂具有高的Ni分散度、更高的CO吸附性能以及更强的金属-载体相互作用.由于金属-载体相互作用被加强,部分电子由载体转移到金属Ni上,增强了金属与CO反键π轨道之间的电子密度,C-O键更易断裂,有利于甲烷化的发生.此外,XPS分析表明等离子体制备的催化剂表面有更多的Ce3+,证明了更多氧空位的存在.在Ni-载体界面上CO的O原子更容易被CeO2的氧空位捕获而解离.更高的分散度提供了更多的Ni比表面积,也有利于加氢过程的进行,从而提高甲烷化活性.CO甲烷化稳定性测试之后催化剂的TG-DSC表征结果表明,等离子体分解制备的催化剂具有更少的积碳及更多的活性镍组分,同时催化剂上积碳的氧化温度更低,表明积碳具有更好的反应活性.
综上所述,等离子体低温分解制备的Ni/CeO2表现出了更大的比表面积、更高的Ni分散度、增强的CO吸附性能和更多的氧空位,促进了CO甲烷化活性的提高.与文献数据相比,该催化剂具有更高的CO转化速率.

English

    1. [1] J. Gao, Q, Liu, F. Gu, B. Liu, Z. Zhong, F. Su, RSC Adv., 2015, 5, 22759-22776.

    2. [2] S. Tada, R. Kikuchi, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 3061-3070.

    3. [3] B. Miao, S. S. K. Ma, X. Wang, H. B. Su, S. H. Chan, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 4048-4058.

    4. [4] B. R. Zhao, Z. P. Chen, Y. J. Chen, X. X. Ma, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, 42, 27073-27083.

    5. [5] P. P. Li, M. Y. Zhu, J. M. Dan, L. H. Kang, L. F. Lai, X. Y. Cai, J. S. Zhang, F. Yu, Z. Tian, B. Dai, Chem. Eng. J., 2017, 326, 774-780.

    6. [6] X. L. Yan, Y. Liu, B. R. Zhao, Z. Wang, Y. Wang, C. J. Liu, Int. J. Hydro-gen Energy, 2013, 38, 2283-2291.

    7. [7] H. Wang, K. Xu, X. Y. Yao, D. H. Ye, Y. Pei, H. R. Hu, M. H. Qiao, Z. H. Li, X. X. Zhang, B. N. Zong, ACS Catal., 2018, 8, 1207-1211.

    8. [8] S. S. Li, D. D. Gong, H. G. Tang, Z. Ma, Z. T. Liu, Y. Liu, Chem. Eng. J., 2018, 334, 2167-2178.

    9. [9] M. Tao, X. Meng, Y. H. Lv, Z. C. Bian, Z. Xin, Fuel, 2016, 165, 289-297.

    10. [10] M. V. Konishcheva, D. I. Potemkin, P. V. Snytnikov, O. A. Stonkus, V. D. Belyaev, V. A. S obyanin, Appl. Catal. B, 2018, 221, 413-421.

    11. [11] Y. H. Lv, Z. Xin, X. Meng, M. Tao, Z. C. Bian, Microporous Mesoporous Mater., 2018, 262, 89-97.

    12. [12] Y. Han, B. Wen, M. Y. Zhu, Catalysts, 2017, 7, 21.

    13. [13] S. S. Li, H. G. Tang, D. D. Gong, Z. Ma, Liu Y, Catal. Today, 2017, 297, 298-307.

    14. [14] Q. Liu, F. N. Gu, X. P. Lu, Y. J. Liu, H. F. Li, Z. Y. Zhong, G. W. Xu, F. B. Su, Appl. Catal. A, 2014, 488, 37-47.

    15. [15] X. L.Yan, B. R. Zhao, Y. Liu, Y. N. Li, Catal. Today, 2015, 256, 29-40.

    16. [16] C. J. Liu, M. Y. Li, J. Q. Wang, X. T. Zhou, Q. T. Guo, J. M. Yan, Y. Z. Li, Chin. J. Catal., 2016, 37, 340-348.

    17. [17] C. Vogt, E. Groeneveld, G. Kamsma, M. Nachtegaal, L. Li, C. J. Kiely, Berben P H, Meirer F, Nat. Catal., 2018, 1, 128-134.

    18. [18] Z. Wang, Y. Zhang, E. C. Neyts, X. X. Cao, X. S. Zhang, B. W. L. Jang, C. J. Liu, ACS Catal., 2018, 8, 2093-2110.

    19. [19] L. Bian, L. J. Zhang, Z. T. Zhu, Z. H. Li, Mol. Catal., 2018, 446, 131-139.

    20. [20] Z. G. Fan, K. H. Sun, N. Rui, B. R. Zhao, C. J. Liu, J. Energy Chem., 2015, 24, 655-659.

    21. [21] R. Zhou, N. Rui, Z. G. Fan, C. J. Liu, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 22017-22025.

    22. [22] F. Guo, W. Chu, H. Y. Xu, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2007, 28, 429-434.

    23. [23] L. Bian, L. Zhang, R. Xia, Z. H. Li, J. Nat. Gas Sci. Eng., 2015, 27, 1189-1194.

    24. [24] Y. Xu, Y. Chen, J. Li, J. Zhou, M. Song, X. Q. Zhang, Y. X. Yin, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, 42, 13085-13091.

    25. [25] B. Nematollahi, M. Rezaei, E. N. Lay, J. Rare Earths, 2015, 33, 619-628.

    26. [26] C. Fukuhara, K. Hayakawa, Y. Suzuki, W. Kawasaki, R. Watanabe, Appl. Catal. A, 2017, 532, 12-18.

    27. [27] S. Tada, T. Shimizu, H. Kameyama, T. Haneda, R. Kikuchi, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37, 5527-5531.

    28. [28] Y. Tan, H. Liu, X. Y. Liu, A. Q. Wang, C. J. Liu, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2018, 39, 929-936.

    29. [29] B. Nematoliahi, M. Rezaei, E. N. Lay, Int. J. Hydrogen Energy, 2015, 40, 8539-8547.

    30. [30] L. R. Winter, E. Gomez, B. Yan, S. Yao, J. G. Chen, Appl. Catal. B, 2018, 224, 442-450.

    31. [31] A. Vita, C. Italiano, L. Pino, P. Frontera, M. Ferraro, V. Antonucci, Appl. Catal. B, 2018, 226, 384-395.

    32. [32] W. Liu, W. Wang, K. Tang, J. Guo, Y. Ren, S. Wang, L. Feng, Y. Yang, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 2427-2434.

    33. [33] S. Mahammadunnisa, P. Manoj Kumar Reddy, N. Lingaiah, C. Subrahmanyam, Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 730-736.

    34. [34] P. Zhao, F. Qin, Z. Huang, C. Sun, W. Shen, H. Xu, Catal. Sci. Technol., 2018, 8, 276-288.

    35. [35] K. Tang, W. Liu, J. Li, J. Guo, J. Zhang, S. Wang, S. Niu, Y. Yang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 26839-26849.

    36. [36] J. Ashok, M. L. Ang, S. Kawi, Catal. Today, 2017, 281, 304-311.

    37. [37] E. T. Saw, U. Oemar, X. R. Tan, Y. Du, A. Borgna, K. Hidajat, S. Kawi, J. Catal., 2014, 314, 32-46.

    38. [38] M. V. Konishcheva, D. I. Potemkin, S. D. Badmaev, P. V. Snytnikov, E. A. Paukshtis, V. A. Sobyanin, V. N. Parmon, Top. Catal., 2016, 59, 1424-1430.

    39. [39] G. Blyholder, J. Phys. Chem., 1964, 68, 2772-2777.

    40. [40] K. Pokrovski, K. T. Jung, A. T. Bell, Langmuir, 2001, 17, 4297-4303.

    41. [41] M. Li, H. Amari, A. C. van Veen, Appl. Catal. B, 2018, 239, 27-35.

    42. [42] Y. Yu, Y. M. Chan, Z. Bian, F. Song, J. Wang, Q. Zhong, S. Kawi, Int. J. Hydrogen Energy, 2018, 43, 15191-15204.

    43. [43] A. Lewera, L. Timperman, A. Roguska, N. Alonso-Vante, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 20153-20159.

    44. [44] D. Chen, Q. Ma, L. Wei, N. Li, Q. Shen, W. Tian, J. Zhou, J. Long, J. Anal. Appl. Pyrolysis, 2018, 130, 169-180.

    45. [45] N. Wang, W. Z. Qian, W. Chu, F. Wei, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 3594-3605.

    46. [46] M. S. P. Francisco, V. R. Mastelaro, P. A. P. Nascente, A. O. Florentino, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 10515-10522.

    47. [47] A. Trovarelli, C. deyLeitenburg, G. Dolcetti, J. L. Lorca, J. Catal., 1995, 151, 111-124.

    48. [48] E. Rombi, M. G. Cutrufello, L. Atzori, R. Monaci, A. Ardu, D. Gazzoli, P. Deiana, I. Ferino, Appl. Catal. A, 2016, 515, 144-153.

    49. [49] X. L. Yan, Y. Liu, B. R. Zhao, Y. Wang, C. J. Liu, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 12132-12138.

    50. [50] Y. Zhang, W. Wang, Z. Y. Wang, X. T. Zhou, Z. Wang, C. J. Liu, Catal. Today, 2015, 256, 130-136.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  8
  • 文章访问数:  1609
  • HTML全文浏览量:  184
文章相关
  • 收稿日期:  2018-10-20
  • 修回日期:  2018-12-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章