本技术方案专注于催化剂合成领域,介绍了一种精确控制活性金属镍粒径的技术。该技术利用六水合硝酸镍、六水合硝酸铈、硝酸铵、甘氨酸和无水乙醇作为原料,通过特定的制备工艺,实现对镍粒径的精确调控,以优化催化剂性能。
背景技术
煤炭和石油仍然是目前利用最广泛的化石燃料,其燃烧过程释放出大量二氧化碳进入大气,导致大气中二氧化碳浓度逐渐增加,进而引起温度升高。气候变化的危害日益显现,不仅体现在极端天气事件上,还包括冰川融化、海洋酸化和土地荒漠化等一系列环境问题,这些问题对人类的生产和生活产生了不利影响。专家预测,到2100年,全球气温可能上升高达5.7°C,这将严重威胁地球上的生命。事实上,自然系统已经发生了不可逆转的变化。自2010年以来,二氧化碳排放量平均每年增加1.4%,捕获、封存和利用二氧化碳被认为是遏制这一趋势最有效的减排策略。尽管在碳捕获和封存方面取得了显著进展,但大量储存的二氧化碳在实际应用方面仍然有限。
CH4
是最简单的烷烃,键角为109.5°,也是天然气的主要成分。传统上,CH4
有两个来源。首先,CH4
来源于自然资源,如湿地、草地、白蚁、湖泊、煤层等,其次,CH4
来源于人类活动,如垃圾填埋、煤矿开采、石油和天然气的加工、农业活动等。在CH4
的总来源中,人为来源约占60%,自然来源(主要是湿地)约占40%。2021年,全球平均CH4
浓度达到了每十亿分之1908(ppb),比工业化前(1750年)的水平高出160%以上,这种增加主要是由于人类工业活动造成的。此外,CH4
作为仅次于CO2
的第二大温室气体,造成温室效应的影响比CO2
强27倍,对环境产生严重影响。因此,为了提高CH4
的化工应用价值,将CH4
转化为其它有价值的产品是目前科研人员的研究重点。
甲烷与二氧化碳的重整反应在综合利用温室气体CH4
和CO2
的同时,可以生成合成气(H2
和CO),而合成气可作为费托合成或甲醇合成的原料气。这一反应在减少碳排放和缓解温室效应方面具有积极意义。然而,该反应工艺存在一定的技术难点,主要表现在缺乏经济性好且性能优异的催化剂。由于较低的成本和相对较高的催化活性,负载型镍基催化剂是最具有吸引力的催化剂之一,其活性可以与贵金属催化剂相媲美,被认为最有希望应用于工业生产中。然而,镍基催化剂在实际应用中面临高温下活性组分烧结以及反应过程中表面积碳导致的失活问题,所以需要对其关键结构以及反应机理进行深入研究,研究发现Ni基催化剂的镍颗粒粒径和分散度对催化性能和稳定性具有重要影响。高分散度的Ni可以有效缓解催化剂在高温下的烧结和颗粒团聚问题;小粒径的活性组分有助于提高催化剂的低温活性和抗积碳性能。此外,分散度与镍粒径密切相关,通常活性组分晶粒越小,暴露在载体表面的金属原子数目越多,分散度越高。因此,可以从控制Ni纳米颗粒尺度这个方向出发,进行高效Ni基催化剂的设计制备,对于提升其催化性能和稳定性具有重要意义,为研发新型高效DRM反应用Ni基催化剂提供思路和启发。
负载型Ni基催化剂Ni颗粒粒径较大时导致金属分散性差,不利于催化剂的稳定性;而当粒径过小时由于表面自由能较大,使得颗粒更倾向于聚集,因此Ni颗粒粒径存在最优粒径范围,在此范围内,催化剂具有最优的抑制烧结效果。一方面,减小Ni颗粒粒径能够提高分散度,阻碍金属颗粒之间聚集长大,从而提升催化剂抗烧结能力。已有学者制备了Ni负载量为5%的Ni/MgAl2
O4
和Ni/Al2
O3
催化剂,Ni颗粒粒径分别为10.4 nm和26.5nm,分散度分别为16%和3%,在750°C下用于DRM反应,10h后发现,初始粒径较小的Ni/MgAl2
O4
催化剂的Ni颗粒粒径仅增大到11.8 nm,而Ni/Al2
O3
催化剂Ni颗粒增大到90.0nm,发生明显烧结。另一方面,粒径过小时表面能大,颗粒更倾向于聚集。有研究表明,当金属颗粒粒径小于6.0 nm时,负载在氧化物载体上的过渡金属纳米粒子化学势随粒径减小而显著增加,产生更大的烧结驱动力;当金属颗粒粒径为6.0 nm时,由于热力学驱动力降低至接近于零,其烧结速率显著降低。因此在无其他措施抑制烧结的前提下,金属颗粒粒径在6.0 nm左右时具有较好的抑制烧结效果。
实现思路