CH4-CO2重整镍基催化剂抗积碳性能研究进展

• 作者: 马清祥 张静 王毅婕 吕凌辉 范辉 曾春阳 赵天生
• 来源期刊: 洁净煤技术
• 学科: 化学
• 关键词: CH_4 CO_2 重整 镍基催化剂 失活 抗积碳
• 年，卷（期）: 2023,（5）
• 所属期刊栏目: “双碳时代CH4资源化利用关键技术”专题
• 页码范围: 14-28
• 页数: 14页
• 分类号: TQ53
• 语种: 中文
• DOI: 10.13226/j.issn.1006-6772.CH22042901

摘要

温室效应引起的全球变暖对人类生存环境造成了严重威胁。CH_4-CO_2重整反应(DRM)以两大温室气体为原料，在消耗利用CH_4和CO_2的同时，产生H_2/CO物质的量比接近1的合成气，是费托合成生产液体燃料或高值化学品的理想原料。镍基催化剂是DRM反应应用最广泛的催化剂，但在高温反应条件下易因烧结和积碳而失活，阻碍了其工业应用。针对镍基催化剂因积碳而失活的不足，综述了DRM反应热力学和反应机理，对催化剂积碳失活机理进行分析，论述了催化剂活性组分、载体、助剂以及制备方法等。CH_4-CO_2重整热力学分析表明高温低压有利于平衡向生成合成气方向移动。逆水煤气变换反应会消耗原料中CO_2产生CO,因此一般情况下CO_2转化率高于CH_4转化率，H_2/CO物质的量比小于1。反应温度557～700℃时，积碳主要来源于CO歧化反应和CH_4裂解反应。反应温度超过700℃,不利于CO歧化反应的发生，积碳主要来源于CH_4裂解反应。积碳依据活性不同可分为无定形碳和石墨碳，无定形碳在低于573 K即可被H_2或含氧物种消除。而石墨碳需要在较高温度才能被气化消除，是造成催化剂失活的主要原因。增加原料气中CO_2/CH_4物质的量比、在原料气中添加水蒸气或氧气可以在一定程度上减少积碳，但解决积碳问题的核心是催化剂的研究。双金属镍基催化剂在一定比例下形成合金，在活化CH_4及消碳过程起协同作用。载体介孔结构的限域效应使镍颗粒尽可能存在于催化剂孔道中，有利于减小金属镍颗粒尺寸且在一定程度上增强金属-载体相互作用力，从而提高催化剂对DRM反应催化活性和抗积碳能力。具有特殊氧化还原性质和超常储氧能力(OSC)的载体可利用氧空位来促进CO_2活化和解离，通过将表面碳氧化为CO来减少由于碳沉积而导致的催化剂失活。使用碱性载体或助剂可适当增加催化剂碱性，使CH_4裂解反应的碳沉积速率与碳消除反应速率相当，从而减少积碳。通过研发新的催化剂制备方法，实现反应过程强化和反应过程耦合，均可有效降低和消除反应积碳。说明适当调变催化剂组成和结构，可以明显提高催化剂在DRM反应中的抗积碳能力。