具有包覆结构的镍基高效稳定甲烷化催化剂的理性设计及研究

The sintering of catalyst at high temperature and hydrothermal conditions is a great issue in many important industrial processes including methanation and steam reforming. The recent development of encapsulation structure materials have found extensive applications in many different areas and also show great potential in the stabilization of supported metal catalysts at tough conditions like high temperature or the presense of oxygen. This proposal is about the rational design of highly efficient and stable encapsulated nicekl-based catalyst for processes operated at high temperature with the presences of steam, and the high temperature methanation of CO is taken as model reaction.. Nickel-based catalysts with core-shell and core-sheath structures will be synthesized via hydrothermal and template-directed methods, and the impact of the morphology on the catalytic activity of the nickel catalyst in CO methanation will be evaluated. Based on the stability tests of the catalysts in inert gas, hydrogen, steam, and also methanation conditions at high temperature, the facts affecting the stability of the catalysts in high temperature methanation process will be studied, and the mechanism of inherent will also be proposed.. The successful execution of this project will provide new options in the catalytic materials for high temperature processes, and also new guidance for the application of nanostructured materials.

催化剂在高温水热条件下的烧结长大是甲烷化、蒸汽重整等许多重要工业过程面临的核心问题之一。包覆结构材料是近年来发展起来的、应用广泛的新型纳米结构材料，在抑制催化剂烧结失活方面也显示出良好的应用前景。本研究拟通过催化剂形貌结构控制，合成具有包覆结构的新型催化剂，并以高温甲烷化过程为模型反应，开发适用于高温、有水蒸汽参与的反应过程的高效稳定镍基催化剂。. 拟采用水热合成法及模板剂法合成具有核壳结构及芯鞘结构的镍基催化剂，分析催化剂的形貌结构特征对其甲烷化反应活性的影响。在惰性气体、氢气、水蒸汽等气氛下及甲烷化过程中测试催化剂的高温稳定性，分析测试前后催化剂理化性质变化情况及表面积炭情况，确定影响催化剂高温水热稳定性的主要因素，并对其失活机理进行探讨。. 本项目的研究不仅有助于拓展甲烷化等高温反应过程高效稳定催化剂材料的选择范围，也为功能纳米材料的开发利用提供新的技术及理论参考。

催化剂在高温水热条件下因积碳、烧结而失活是蒸汽重整、甲烷化等许多重要工业过程面临的核心问题之一，更是低成本非贵金属催化剂开发应用的主要障碍。本项目从催化剂表面反应机理出发，深入研究催化剂表面各种催化活性位点（如金属位、阴/阳离子缺陷位、酸位、碱位等）的具体功能，采用可控组合的思想，指导具有特定功能位点的催化剂的理性设计与合成，进一步借助可控的制备方法和先进的表征技术，合成了多种适用于高温水热反应过程的高效镍基催化剂。. 项目以低碳醇蒸汽重整制氢和甲烷化等多个反应过程为探针反应。采用浸渍法制备Ni/Al2O3催化剂，探究前驱体对镍基催化剂表面理化性质的影响，发现γ-Al2O3载体表面四配位和八配位空穴对大小不同的镍前驱体分子的吸附性能存在差异，从而影响其金属分散度和金属-载体相互作用情况。采用固相结晶法制备Ni/CaO-La2O3等一系列镍基催化剂，揭示了CaO、La2O3等催化剂组分对促进H2O、CO2等反应物活化、促进表面积碳转化、抑制活性组分烧结等方面的重要作用。采用纳米构筑法制备Ni@ZrO2催化剂，其活性金属与载体氧化物颗粒尺度相当，活性金属高度分散且与载体氧化物紧密接触，共同构筑催化剂框架结构；与常规负载型Ni/ZrO2催化剂相比，其比表面积可增大一倍以上，达到91m2/g；该结构提供了丰富的金属-氧化物界面，展示了良好的空间限域效应，从而获得了良好的催化反应活性和稳定性，在600度下，可长时间保持乙醇完全转化，而积碳量仅为常规Ni/ZrO2催化剂的一半。分别采用改进的Stober法制备具有核壳结构的Pt@SiO2、Pt@CeO2催化剂，采用溶剂蒸发引导自组装的一锅法合成了有序介孔氧化铝负载镍颗粒的Ni-OMA催化剂。催化剂在可控组装的条件下，形成了规则的形貌和空间结构，活性金属镍高度分散在一定的空间结构内，在700度高温反应条件下显示出优异的抗烧结性能，进一步验证空间限域效应在提升催化剂抗烧结性能方面的重要作用。. 本项目的研究，为甲烷化、蒸汽重整等高温反应过程提供了多种高效稳定催化剂的材料选择，也为多相金属催化剂开发提供了表面分析、功能设计、可控合成的研究思路和实践方法参考。