强抑制热点生成能力的纳米结构镍基低铂催化剂的制备及其抑热机理研究

本项目针对甲烷自热重整反应中催化剂床层易形成热点这一亟待解决的关键问题，在发现常规共浸渍法合成的镍铂催化剂具有较好抑制热点生成能力的基础上，申请人拟通过探索新型制备技术，研制出可取代高含量铂基催化剂、具有优秀抑热能力的低铂核壳结构镍铂催化剂，有望在很大程度上克服单金属镍催化剂容易形成热点的缺点，达到与高负载量铂催化剂媲美的抑热效果；采用多种测试分析方法对催化剂结构和活性组分的相互作用机制进行表征研究；并采用多种实验方法和理论计算等手段，深入研究和认识镍铂核壳催化剂的催化行为，探讨其抑热机理，阐述它与普通混杂结构镍铂催化剂不同的抑热性能和催化特征。本项目的研究对于有效降低催化剂成本和解决催化剂上热点生成、以及由此带来的催化剂劣化等问题具有重要意义；有助于揭示甲烷临氧自热重整反应中催化作用的一般规律，对有效促进甲烷临氧自热重整反应的发展和工业化应用，具有一定的科学意义和良好的应用前景。

本项目针对甲烷重整反应中催化剂进行了如下研究：（1）镍铂双金属催化剂的合成及性质研究：以分步浸渍法建立了Pt-Ni双金属催化体系，分步浸渍法与常规共浸渍法合成的催化剂在甲烷重整反应中的活性差别不大，然而两个双金属催化剂在催化剂床层温度上表现迥异。通过X光吸收精细结构谱图与FTIR的表征，可以归纳出Pt(0.1)/Ni(2.6)具有明显的表面富铂行为，这种独特构造在甲烷重整反应中直接表现为优异的抗氧化性能及抑热优势，研究结果对于揭示甲烷自热重整反应中催化作用的一般规律及催化剂设计具有重要的科学意义；（2）铈掺杂镍基催化剂的催化性能研究：详细分析了新型NiCe/SiO2催化剂的结构与高催化活性、高稳定性的构效关系。微量CeO2不仅能够有效降低Ni/SiO2催化剂中单质Ni的粒径，提高镍金属的分散度，而且也能够在甲烷重整中保持金属镍Ni0形态及抑制金属聚集；（3）钇掺杂有序介孔载体SBA-15的合成及其负载镍催化剂的催化性能研究：首次采用溶胶凝胶法合成了以稀土元素钇掺杂的介孔材料Y-SBA-15，详细研究了镍基有序介孔催化体系在甲烷重整反应中的催化性能，系统说明了钇在提高甲烷转化率中的关键作用，进一步阐明了介孔孔道和介孔骨架的“限域效应”在降低催化剂积碳方面所发挥的重要作用；（4）有机物修饰SiO2负载镍催化剂的催化性能研究；选择合适的有机物对SiO2负载的Ni基催化剂进行修饰，系统说明了有机物在提高催化性能中的关键作用。柠檬酸促进还原后催化剂形成较小的镍颗粒，添加有机助剂改性二氧化硅表面可以稳固金属镍物种，从而防止金属颗粒在高反应温度下聚合；（5）Pt(111)、Ir(111)、PtIr(111)表面甲烷脱氢的机理研究：采用密度泛函理论细致分析了甲烷在Pt(111)，Ir(111)和PtIr(111)面的解离行为。在热力学和动力学上，甲烷连续脱氢过程更倾向于在PtIr合金表面发生。该项研究不仅对改进及设计高效环保的新型催化剂具有指导意义，而且也为揭开甲烷重整反应的反应机理提供了理论依据。除上述研究内容外，也开展了其他介孔材料如SBA-15和KIT-6负载铜基催化剂及其在苯乙烯环氧化中的性能研究，取得了满意的研究成果。.在本项目的资助下，已发表SCI论文13篇。发表在一区的SCI论文有3篇，二区Top Journal的SCI论文有7篇，申请发明专利2件。