关键词：
三维介孔二氧化硅
物理结构性质
高稳定性
甲烷干重整
温室效应
摘要：
随着社会的发展和城市化步伐的加快,能源需求与二氧化碳排放量持续上升,造成了严重的温室效应。为应对温室气体排放并响应国家双碳战略,甲烷干重整（DRM）技术提供了有效应对途径。DRM技术可将CO2与CH4转化为合成气（H2与CO）,该合成气可用于费托合成生产高价值碳氢化合物和增值化学品,既减缓了温室效应,又符合可持续发展观念。在DRM技术中,镍基催化剂应用最为广泛,但镍基催化剂长期面临颗粒烧结和积碳两大难题,严重影响其催化性能。因此,开发高活性和高稳定性的镍基催化剂已成为当前科研领域的重点。
载体作为催化剂的重要组成部分,不仅直接影响催化剂的理化性质,还在其性能表现中发挥着关键作用。因此,通过优化制备工艺系统地调控载体的物理结构,以进一步改善催化剂的理化性质与性能表现,是一种可行性策略。本文通过优化载体与催化剂的制备工艺,成功制备了具有合适结构的三维介孔二氧化硅载体（MCF与DFNS）,并应用于DRM反应。在载体的制备过程,通过调整工艺以实现结构调控策略,成功获得了具有合适比表面积的MCF载体;在催化剂的制备过程中,选择不同镍前驱体与煅烧气氛策略,以进一步精确调控催化剂物理结构的孔径分布特性。在采用有效的结构调控策略后,催化剂拥有更强的镍分散性以及金属与载体相互作用力,这有助于抑制镍颗粒烧结并提高DRM反应稳定性。
本文通过调整合成过程中膨胀剂（TMB）与模板剂（P123）的比例,成功制备了一系列具有不同比表面积的MCF载体。随后,采用可移除碳的模板法将镍颗粒均匀地负载到载体表面。研究表明,当TMB/P123质量比达到1.6时,催化剂具有合适的比表面积,调控后的物理结构显著改善了镍分散与载体的理化性质。该催化剂表现出更小且分散的镍颗粒、更强的金属与载体相互作用力以及更多的Ni0活性位点,从而为DRM反应的高稳定性提供了基础。经20小时的DRM活性测试,具有合适比表面积的MCF催化剂其CO2与CH4转化率分别始终保持在83.95%和71.68%以上,展现了高效且稳定的催化性能。
DFNS是一种新型载体,适用于碳捕获、利用与储存技术。本文通过筛选合适的镍前驱体策略,以调控催化剂的孔径分布及其它物理结构状态,从而促进镍颗粒在DFNS上的均匀分布,并改善催化剂的理化性质。研究发现,当选用乙酰丙酮镍为前驱体时,所制得的催化剂（DFNS/AA）能够有效保持DFNS载体原有的孔径分布状态及其它结构状态。催化剂有效保持载体物理结构状态的现象,有利于增加催化剂的活性位点数量与表面氧浓度,并增强金属与载体之间的相互作用力,从而抑制烧结现象,为DRM反应提供了高效且稳定的性能基础。该催化剂经24小时的DRM活性测试,其CO2与CH4的转化率分别稳定保持在93%与79.68%以上。
基于合适镍前驱体的DFNS/AA催化剂合成体系,进一步研究不同煅烧气氛对DFNS/AA催化剂的性能影响。研究表明,选择合适的煅烧气氛以调控催化剂物理结构至关重要。在H2/N2气氛中煅烧除的催化剂几乎没有活性,这是因为催化剂缺乏镍活性位点支撑DRM反应。在Ar气氛中煅烧出的催化剂虽能保持催化稳定性,但由于镍活性位点数量不够多,未能表现出较高的催化活性。在空气气氛中煅烧出的DFNS/AA催化剂其活性高而稳定,该催化剂具有更强的金属与载体相互作用力、更多的表面氧与Ni0活性位点浓度,同时具有最低的石墨化程度,为其在DRM反应中高活性的表现提供关键基础。在24小时的活性测试过程中,CO2转化率保持在93%以上,同时CH4转化率仅降低了3.49%。
本文研究策略的核心是对三维介孔二氧化硅载体结构进行精准调控,通过优化制备工艺系统地调控载体的物理结构。在载体的制备过程,通过调整制备工艺以实现结构调控策略,并成功获得了具有合适比表面积的MCF载体。在催化剂的制备过程中,选用了不同镍前驱体与煅烧气氛策略,以进一步精准调控DFNS催化剂的孔径分布等物理特性。在采取有效的结构调控策略后,催化剂会表现出更强的镍分散性,以及更强的金属与载体相互作用力等理化性质,从而有助于抑制颗粒烧结和减少积碳的石墨化程度,为高效且稳定的DRM反应提供关键基础。
图[39]表[13]参[107]
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