铁基催化剂上甲烷催化裂解制备高纯氢和纳米碳材料的研究

【摘要】：本文从甲烷催化裂解反应出发，通过共沉淀的制备方法，获得了用于生产高质量单壁碳纳米管(SWCNTs)的Fe/MgO催化剂。通过改进金属盐溶液(Fe(NO_3)_3, Mg(NO_3)_2)和碱性沉淀剂(Na_2CO_3)的混合顺序，考察了pH值变化对共沉淀产物的影响。使用XRD、TG等表征手段，确定了母体的结构组成。表征结果表明，调变pH的制备方法得到了具有Feitknecht Compound (FC)结构的母体。母体煅烧后得到的氧化物的XRD和TPR表明由具有FC结构的母体衍生的氧化物具有较强的金属与载体相互作用(metal support interaction)。使用乙醇代替水作为溶剂对母体进行洗涤，催化剂孔结构得到改善，比表面积显著增大。通过Fe/MgO催化剂的活性测试确定了最佳的预还原和反应温度分别为700和800oC。对甲烷催化裂解制备的碳材料进行了高分辨透射电镜(HRTEM)，热重(TG)和拉曼光谱的表征(Raman spectra)。结果表明，由具有FC结构母体衍生的催化剂上生长的单壁碳纳米管管径分布集中，形貌规整，纯度较高，并且碳管的石墨化程度也较高。结合催化剂的表征结果，对单壁碳管的生长机理进行了讨论。具有FC结构的母体衍生的氧化物中金属和载体的相互作用力较强，预还原后得到了高分散和粒径分布均一的金属颗粒，从而生长出管径分布均一，形貌较好的单壁碳纳米管。 通过改进的共沉淀方法，在传统的Ni-Al催化剂中加入Fe，得到了用于甲烷催化裂解制备高纯氢的Ni-Fe-Al双活性组分催化剂。XRD结果表明催化剂的母体具有FC结构。对不同含铁量的催化剂进行了活性评价，并且考察了反应温度对活性的影响。Fe的加入提高了催化剂的活性温区，并且有效的改善了催化剂稳定性。碳在Fe中的扩散系数比在Ni中的扩散系数大2-3个数量级，这是稳定性提高的主要原因。制备的2Ni-Fe-Al催化剂的寿命超过200h，在600和650oC反应后积碳量分别达到了746.8和851.3g C/g (Ni+Fe)。HRTEM结果表明催化剂上生长的碳材料主要为纳米碳纤维和多壁碳纳米管。用EDS对2Ni-Fe-Al催化剂在600oC下不同反应时间的催化剂颗粒进行了组成分析。结果表明Ni-Fe相对含量随着反应的进行发生了变化，催化剂金属颗粒在反应中进行了重构。 【关键词】：甲烷催化裂解 水滑石 铁镁催化剂 单壁碳纳米管 镍铁铝催化剂 制氢 纳米碳纤维
【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;TQ127.11
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-26
• 1.1 课题研究背景8-14
• 1.1.1 世界能源利用现状8-9
• 1.1.2 氢气的应用9-10
• 1.1.3 氢气的生产10-11
• 1.1.4 甲烷催化裂解概述11-13
• 1.1.5 副产纳米碳材料13-14
• 1.2 课题研究现状14-24
• 1.2.1 催化剂的设计和研究14-18
• 1.2.2 催化反应机理18-23
• 1.2.3 催化剂失活23-24
• 1.3 本文研究思路及研究内容24-26
• 1.3.1 研究的思路24-25
• 1.3.2 主要工作内容25-26
• 第二章 Fe/MgO 催化剂上制备单壁碳纳米管的研究26-41
• 2.1 引言26
• 2.2 实验部分26-29
• 2.2.1 实验原料26-27
• 2.2.2 催化剂的制备27-28
• 2.2.3 催化剂表征28
• 2.2.4 催化剂活性测试28-29
• 2.3 实验结果与讨论29-39
• 2.3.1 催化剂表征结果29-33
• 2.3.2 反应活性测试33-35
• 2.3.3 SWCNT 的表征35-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 Ni-Fe-Al 催化剂上制备高纯氢的研究41-56
• 3.1 引言41
• 3.2 实验部分41-43
• 3.2.1 实验原料41-42
• 3.2.2 催化剂的制备42
• 3.2.3 催化剂表征42-43
• 3.2.4 催化剂活性评价43
• 3.3 实验结果与讨论43-55
• 3.3.1 催化剂表征结果43-44
• 3.3.2 催化剂活性评价结果44-49
• 3.3.3 副产纳米碳纤维49-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第四章 结论56-58
• 参考文献58-64
• 发表论文和参加科研情况说明64-65
• 致谢65

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