介质阻挡放电等离子体制备甲烷水蒸气重整镍基催化剂

【摘要】：化石燃料的消耗和其燃烧产生的污染物造成了能源和环境危机。氢能是一个有希望替代化石燃料的清洁能源。制氢工业中主要的工艺过程是天然气水蒸汽重整。该过程常用的镍基催化剂在反应过程中极易结焦。为防止结焦的发生，进料的水蒸气与甲烷摩尔比需要远大于反应所需的化学计量比。但是过量蒸汽的产生与回收耗费了巨大的能量。如何提高催化剂的抗积碳性能，合理降低重整反应的水碳比，对降低氢能的生产成本具有十分重要的意义。 本文利用介质阻挡放电等离子体分解硝酸镍前驱体，制备了Ni/SiO_2-DBD催化剂，用于甲烷水蒸气重整反应。Ni/SiO_2-DBD催化剂表现出更高的一氧化碳选择性和较低的H_2/CO比。对催化剂和积碳的分析可以表明，相比于常规焙烧方法的催化剂，Ni/SiO_2-DBD催化剂具有更小的镍颗粒尺寸和更低的本征反应速率，使颗粒上积碳速率降低。高分散度与强金属载体相互作用提高了消碳速率。从而达到更好的积碳与消碳的平衡，在更低的水碳比下有效抑制积碳，提高了催化剂的抗积碳性能。 为了研究介质阻挡放电等离子体对催化剂的作用原理，加入了两个对比样品Ni/SiO_2-C2与Ni/SiO_2-DBD2，并采用甲烷分解反应判断样品的抗积碳能力。实验发现，硝酸镍的快速分解可以使镍颗粒尺寸减小，并增强抗积碳性能。经过还原氧化还原释放表面能的Ni/SiO_2-DBD2样品具有更多的Ni（111）面比例，抗积碳性能得到进一步提高。可以推测，在DBD过程中，瞬间释放的能量使硝酸镍快速分解形成小颗粒，与此同时，放电时电子、离子等气氛，或电场、磁场等场作用力造成了镍颗粒特殊的表面形貌。更小的镍颗粒尺寸与特殊的表面结构共同作用使Ni/SiO_2-DBD样品具有优异的抗积碳性能。 【关键词】：镍基催化剂 甲烷水蒸气重整 抗积碳 介质阻挡放电等离子体
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ116.2;TQ426.94
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-22
• 1.1 引言8-9
• 1.2 等离子体9-14
• 1.2.1 等离子体简介9-11
• 1.2.2 介质阻挡放电等离子体11-13
• 1.2.3 催化剂的等离子体法制备13-14
• 1.3 甲烷催化转化工艺14-16
• 1.3.1 甲烷水蒸气重整反应15
• 1.3.2 甲烷部分氧化反应15-16
• 1.3.3 甲烷二氧化碳重整反应16
• 1.3.4 甲烷自热催化重整反应16
• 1.4 甲烷水蒸气重整研究进展16-20
• 1.4.1 反应机理及动力学16-18
• 1.4.2 甲烷蒸汽重整催化剂18-20
• 1.4.3 催化剂的失活20
• 1.5 论文工作的提出及研究内容20-22
• 1.5.1 介质阻挡放电制备镍基催化剂的意义20-21
• 1.5.2 论文的内容安排21-22
• 第二章 介质阻挡放电等离子体制备镍基催化剂22-33
• 2.1 引言22
• 2.2 实验部分22-27
• 2.2.1 催化剂的制备22-25
• 2.2.2 催化剂的表征25-26
• 2.2.3 实验所用试剂、气体及仪器设备26-27
• 2.3 结果与讨论27-32
• 2.3.1 XRD 结果分析27-28
• 2.3.2 TEM 结果分析28-31
• 2.3.3 程序升温还原结果分析31-32
• 2.3.4 H_2脉冲化学吸附结果分析32
• 2.4 小结32-33
• 第三章 甲烷水蒸汽重整反应33-50
• 3.1 引言33
• 3.2 实验部分33-36
• 3.2.1 催化剂的活性评价33-35
• 3.2.2 反应后催化剂的表征35-36
• 3.3 结果与讨论36-49
• 3.3.1 反应活性及选择性36-40
• 3.3.2 催化剂积碳分析40-47
• 3.3.3 讨论47-49
• 3.4 结论49-50
• 第四章 介质阻挡放电等离子体作用机制探讨50-59
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-52
• 4.2.1 催化剂样品的制备50-51
• 4.2.2 催化剂的表征与反应51-52
• 4.3 结果与讨论52-58
• 4.3.1 XRD 结果分析52-54
• 4.3.2 程序升温还原结果分析54
• 4.3.3 甲烷分解反应性能54-55
• 4.3.4 催化剂积碳热重分析55-56
• 4.3.5 催化剂积碳 TPO 分析56-57
• 4.3.6 讨论57-58
• 4.4 小结58-59
• 第五章 总结59-60
• 参考文献60-68
• 发表论文和参加科研情况说明68-69
• 致谢69

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