钙钛矿负载镍催化剂用于乙醇水蒸气重整制氢反应的研究

【摘要】：目前,乙醇水蒸气重整(SRE)催化剂需要解决的核心问题是如何提高催化剂的稳定性以及进一步降低催化剂成本。镍基催化剂对SRE的催化活性高,而且与贵金属相比价格低廉,是一类有应用前景的SRE催化剂。但镍基催化剂的稳定性即抗积碳和烧结性能仍有待进一步提高。钙钛矿型复合氧化物(PTO),通式为ABO3,具有良好的热稳定性和化学稳定性,它易与过渡金属发生相互作用,利于提高活性组分的分散度和抗烧结性能。钙钛矿型氧化物上的氧空位有利于表面积碳的消除,从而可提高催化剂的抗积碳性能。本文通过柠檬酸络合法制备了一系列PTO负载镍催化剂并用于乙醇水蒸气重整反应。同时分析了催化剂中镍组分的化学状态,载体的性质,镍与载体之间的相互作用以及它们对催化剂催化性能的影响。 通过一步柠檬酸络合法制得了组成为Ni/LaFe_yNi_(1-y)O_3的PTO担载镍催化剂。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(TEM)结果表明,一步柠檬酸络合法能有效地使金属组分高分散在钙钛矿氧化物载体上。高分散的Ni物种容易与载体发生相互作用,部分Ni进入到钙钛矿载体晶格中并取代LaFeO3中的Fe,形成LaFe_yNi_(1-y)O_3。SRE性能测试表明,催化剂优异的乙醇水蒸气重整活性归因于高分散的NiO/Ni。Ni的分散度越高,SRE低温活性越好。小颗粒的Ni有利于抑制甲烷的生成,提高产物中氢气的选择性。LaFe_yNi_(1-y)O_3上的氧空位和高分散的镍颗粒是催化剂具有良好抗积碳性能的根本原因。 使用柠檬酸络合法制备了具有钙钛矿结构的La-St-Fe-O (掺杂组分St=Ca, Sr)复合氧化物负载Ni催化剂,并用于乙醇水蒸气重整制氢。XRD结果显示,Ca和Sr离子都成功进入钙钛矿A位,形成La被部分取代的钙钛矿型复合氧化物。对于含Ca样品,部分取代后的钙钛矿氧化物产生了丰富的表面氧空位和体相氧空位。关联钙钛矿结构中的氧空位和催化剂的SRE稳定性,发现取代后PTO结构中的表面氧空位和体相氧空位能抑制积碳生成和提高催化剂消碳能力。表面氧空位有利于SRE反应过程中水分子的活化,促进水与催化剂表面的碳氢化合物之间的反应,从而减少能导致积碳的反应中间体的量。钙钛矿体相氧空位则有利于催化剂表面积碳和水发生反应,提高催化剂消积碳效率。对于含有Sr的样品,由于Sr的存在使金属镍的分散度明显降低,不利于催化剂的SRE活性。实验结果证明,通过A位掺杂引入氧空位,钙钛矿La_(1-x)Ca_xFe_(1-y)NiyO_3负载Ni催化剂的SRE稳定性得到很大提高。 制备了A和B位部分取代的钙钛矿复合氧化物La_(1-x)Ca_xFe_(0.7)Ni_(0.3)O_3催化剂,并用于乙醇水蒸气重整(SRE)和部分氧化重整(OSRE)反应。根据钙钛矿复合氧化物特有的性质,我们提出了一种关于在还原—氧化气氛下活性组分Ni的纳米粒子在钙钛矿结构内外循环的新构思,并通过程序升温还原(TPR),XRD和TEM等手段证明:在还原气氛下,La_(1-x)Ca_xFe_(0.7)Ni_(0.3)O_3钙钛矿晶格中的镍离子被还原成零价的金属镍纳米粒子,并负载在钙钛矿氧化物表面;当还原气氛切换成氧化气氛后,高分散的金属镍纳米粒子会被氧化回到钙钛矿载体的晶格中。基于这个设想解决在高温条件下金属镍的烧结问题。通常SRE反应中加入一定量的氧气,即在氧化重整(OSRE)条件下,催化剂上的积碳可以在一定程度上被抑制,但会加速活性组分的烧结。但对于La_(0.7)Ca_(0.3)Fe_(0.7)Ni_(0.3)O_3催化剂,在OSRE反应条件下,氧气的加入抑制了积碳生成,同时活性组分烧结也得到有效抑制,原因是活性组分镍可在钙钛矿晶格内外迁移,从而抑制了镍颗粒的聚集长大。