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载体形貌调控Ni基催化剂甲烷干重整反应性能的研究

发布时间：2024-08-27 11:31
作者：李真薇 李玉峰 陈杰 胥月兵 刘冰刘小浩
      随着人类社会的快速发展，能源的过度使用以及污染气体排放引起的环境问题日益成为关注的焦点。目前，化石资源在可利用资源中仍然占据主导地位。伴随着化石燃料的开采和使用，大量温室气体的排放已经造成了气候变暖、海平面升高以及海洋酸化等气候问题[1-3]。尽管大气中CH4含量远低于CO2，但是CH4引起的温室效应是CO2的23倍（约占全球变暖的20%）[4-5]。甲烷干重整（DRM）反应能够将CO2和CH4同时转化为合成气（CO + H2），而合成气是重要的工业原料，可以采用不同的技术来利用合成气制造超清洁燃料和高价值化学品。例如，合成气可以通过甲醇路线制乙醇、低碳烯烃和芳烃等[6-8]，也可以通过费托合成技术路线制高辛烷值汽油、优质石蜡和长链α-烯烃[9-12]。
      目前，常见的应用于DRM反应的催化剂包括贵金属催化剂（如Ru、Rh和Pt等），以及Ni为代表的非贵金属催化剂[13-16]。虽然贵金属催化剂具有优异的催化活性和稳定性，但高成本限制了其在工业上的广泛适用性。Ni基催化剂由于具有较好的催化性能且成本低，是工业化应用的理想的选择。DRM反应是一个强吸热反应，惰性的CO2和CH4分子通常需要在高温下才能有效催化转化。然而，Ni基催化剂的塔曼温度（Tammann temperature）较低，在DRM反应条件下面临着容易烧结和积碳的问题[17-18]。因此，创新性地开发和设计具有抗烧结和抗积碳性能的Ni基催化剂是DRM反应的研究重点。在以前的工作中，本课题组采用燃烧法制备了具有较好催化性能的小粒径Ni基催化剂，以及Ru和ZrO2改性的Ni基催化剂，有效地缓解了反应积碳的问题[19-20]。
      此外，很多DRM反应的相关研究也取得了重要进展。2020年，SONG等[21]研究了一种合成单晶边缘纳米催化剂（NOSCE）技术，发现制备的单晶MgO载体通过利用边缘台阶锁定机制来稳定Ni纳米粒子的粒径在17 nm左右，另外，引入的Mo促进剂散布在Ni上增加了DRM反应中CO2和CH4的转化活性，制备的催化剂能够高效稳定地催化甲烷和二氧化碳反应生成合成气，连续运行850 h以上未出现结焦和烧结现象。2022年，LIU等[22]开发了一系列核壳型Ni-In纳米合金催化剂，其形成的核壳结构有利于抑制Ni烧结，使得催化剂在430 h的稳定性测试中，显示出优异的抗积碳性能和反应活性。虽然上述催化剂都具有很好的催化效果，但是催化剂合成过程繁琐，制作成本高，难以实现工业化。
      本文采用较为简便的水热-浸渍法，合成片状和花状MgO负载的Ni基催化剂，与商用颗粒状MgO浸渍的Ni基催化剂作对比，考察载体形貌对于Ni基催化剂DRM反应催化性能的影响，并结合多种表征方法对于其影响机制进行详细阐述。

1 实验部分

1.1 实验试剂

      硝酸镍（Ni(NO3)2·6H2O）、乙酸镁（Mg(CH3COO)2·4H2O）、氨水（NH3·H2O，质量分数25%~28%）、氢氧化钠（NaOH）、去离子水、无水乙醇、乙二醇（(CH2OH)2）和商用氧化镁（MgO）均为AR，购买于上海国药集团有限公司；聚乙烯吡咯烷酮K-30（PVP-K30）为AR，购买于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 催化剂制备

      采用水热法制备片状和花状MgO载体。制备片状MgO载体的具体方法为：称取8.578 g Mg(CH3COO)2·4H2O在超声下溶解于50 mL去离子水中，然后将1.000 g NaOH溶于100 mL去离子水中。将两者快速混合并持续搅拌30 min后转移到水热釜中，再放入180 °C烘箱中静置晶化7 h，取出冷却至室温，真空抽滤，再先后用去离子水和无水乙醇清洗，然后转移至100 °C烘箱中干燥12 h。最后，放入马弗炉中在500 °C空气氛围下煅烧6 h得到片状MgO载体，记为MgO-P。制备花状MgO载体的具体方法为：称取1.245 g PVP-K30充分溶解于150 mL (CH2OH)2中，逐滴加入0.75 mL NH3·H2O溶液，搅拌5 min后，加入1.605 g Mg(CH3COO)2·4H2O并超声20 min，完全溶解后再搅拌1 h。将得到的混合液在180 °C烘箱中水热5 h后取出冷却至室温，然后进行离心分离，先后用去离子水和无水乙醇充分清洗其中残留的有机物质，把离心得到的沉淀物置于100 °C烘箱中干燥12 h。最后，转移至坩埚中，在横式管式炉中N2流动氛围下，于500 °C先煅烧1 h，之后将气氛切换为空气在相同温度下再煅烧2 h，得到花状MgO载体，记为MgO-F。将购买的商用MgO作为颗粒状MgO，记为MgO-G。
      最后，采用浸渍法制备质量分数为5 %的Ni基催化剂，具体方法为：称取0.521 g Ni(NO3)2·6H2O充分溶解于2.5 mL去离子水中，然后分别加入2.000 g MgO-G、2.000 g MgO-P和2.000 g MgO-F并充分搅拌，静置1 h后，在80 °C真空旋蒸2 h，将固体产物置于120 °C烘箱中干燥12 h。将干燥后的产物进行研磨后置于马弗炉中，在流动空气氛围下于500 °C煅烧4 h，得到新鲜Ni基催化剂，分别记为Ni/MgO-G、Ni/MgO-P和Ni/MgO-F。

1.3 催化剂表征

      采用德国布鲁克AXS公司的D2型PHASER仪器对催化剂进行XRD表征，确定催化剂中的物相组成和结晶程度。采用Cu Kα射线，功率为2.2 kW，扫描速率为2 (°)/min，扫描范围为5°~85°。
      采用美国麦克有限公司ASAP2020 MP型全自动物理吸附仪对催化剂进行N2吸/脱附测试，测定催化剂的物理结构性质。测定前，先将样品于120 ℃烘箱中干燥2 h，然后在250 ℃下真空脱气4 h，以除去其表面吸附水分和杂质。然后，以N2为吸附介质，在-196 °C下进行测试，并采用ASiQwin软件进行分析。
      采用日本日立有限公司Hitachi S-4800型仪器对催化剂进行SEM表征，观察样品微观形貌。测试前需要对样品进行喷金处理，增强其导电性。加速电压为15 kV，加速电流为10 μA。
      采用日本麦奇克拜尔有限公司MicrotracBEL型仪器对催化剂进行H2-TPR和CO2-TPD表征，获得催化剂的还原行为和碱性等信息。H2-TPR具体操作步骤为：称取100 mg样品置于石英管中，在流动Ar氛围下升温至200 ℃保持1 h，以除去催化剂表面水分和杂质，然后在同样气氛下自然降温至50 ℃，待基线稳定10 min后，切入10%H2/Ar混合气升温至900 ℃，测试期间利用热导检测器（TCD）得到H2消耗曲线。CO2-TPD具体操作步骤为：称取100 mg样品置于石英管中，在流动He氛围下升温至200 ℃保持1 h，以除去催化剂表面水分和杂质，然后在同样气氛下自然降温至50 ℃，待基线稳定10 min后，先通入10 mL/min CO2吸附1 h，然后切入He，直至基线稳定。最后，在He气氛下将样品升温至700 ℃，测试期间利用质谱监测CO2（m/z = 44）信号得到CO2脱附曲线。
      采用日本麦奇克拜尔MicrotracBEL型仪器，对催化剂进行CH4-Pulse-O2-TPO表征，分析其对CH4分子的裂解能力。称取30 mg样品置于石英管中，在30 mL/min 10%H2/Ar氛围下升温至700 ℃对样品还原1 h，随后，切入Ar保持10 min，在同样氛围下升温至800 ℃并保持20 min至基线稳定。利用定量环周期性地通入1 mL CH4，持续16次，切入Ar将石英管内自然降温至50 ℃，待基线稳定10 min后，在15 mL/min 10%O2/Ar气氛下，以20 ℃/min的升温速率将样品从50 ℃升温至900 ℃，测试期间利用质谱同时监测CH4（m/z = 16）、H2（m/z = 2）、CO2（m/z = 44）和CO（m/z = 28）信号，得到CH4-Pulse-O2-TPO曲线。
      采用瑞士梅特勒-托利多集团TGA/110 0SF型热重分析仪，测定反应后催化剂积碳量。称取6 mg反应后催化剂于小坩埚中，在50 mL/min纯O2气氛下以20 ℃/min的升温速率从50 ℃升温至800 ℃，并利用ATR软件记录催化剂质量变化情况，获得反应后催化剂的TG曲线。

1.4 催化剂反应性能评价

      采用固定床连续流反应器对不同催化剂进行反应性能评价。取200 mg新鲜催化剂（40~60目）装入内径为9 mm的石英反应管中。随后，将反应器内温度以5 °C/min的升温速率升至700 ℃，通入H2（流量为30 mL/min）对催化剂还原1 h。然后，将Ar气通入反应器，以5 ℃/min的升温速率将温度升至800 ℃，并稳定20 min。通入反应气体（V(N2)/V(CH4)/V(CO2) = 2/9/9），反应压力为0.1 MPa，空速为54000 mL/(g·h)。
      原料气和气体产物采用气相色谱仪（Agilent GC-7820A）进行在线分析，监测CO2、H2、CO、N2和CH4信号，并通过N2作为内标来计算CO2转化率（XCO2，%）、CH4转化率（XCH4，%）以及产物中n(H2)/n(CO)，具体计算方法分别见式(1)~式(3)。


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(1)


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(2)


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(3)
      式中，ACH4,in和ACH4,out分别代表CH4进口和尾端出口峰面积；ACO2,in和ACO2,out分别代表CO2进口和尾端出口峰面积；AH2,out代表H2尾端出口峰面积；ACO,out代表CO尾端出口峰面积；fCO和fH2分别代表经过N2内标计算的色谱的校正因子。

2 结果与讨论

2.1 反应前不同形貌载体负载的催化剂表征分析

2.1.1 XRD分析
      新鲜和还原后催化剂的XRD谱图见图1。由图1(a)和图1(b)可知，所有新鲜催化剂均在2θ = 37.3°、43.2°、62.5°、74.9°和78.9°处出现衍射峰。由于MgO和NiO都具有面心立方（fcc）结构，其晶格参数相似，因此在高温下易形成稳定的固溶体[23]。根据JCPDS卡片和文献[24-25]报道，在2θ = 43.0°、43.2°和43.3°附近的衍射峰分别对应MgO、NiO-MgO固溶体和NiO，说明新鲜催化剂中金属氧化物与不同形貌MgO载体都形成了固溶体结构，形貌的改变并未引起催化剂的晶型变化，且催化剂的结晶度良好。由图1(c)和图1(d)可知，与新鲜催化剂相似，在还原后催化剂的谱图中未观察到金属Ni的衍射峰，说明金属Ni与载体形成的固溶体较难还原，或者金属呈高度分散状态。此外，能明显观察到还原后Ni/MgO的衍射峰强度大幅减弱，可能是由于晶体粒径较小。Ni/MgO-G、Ni/MgO-P和Ni/MgO-F的衍射峰向右偏移的程度逐渐增加，说明经过700 °C高温还原处理后，载体结晶度受到不同程度的影响。

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▲ 图1   新鲜（(a)、(b)）和还原后（(c)、(d)）催化剂的XRD谱图
2.1.2 SEM分析
      新鲜载体的SEM照片见图2。由图2(a)可知，MgO-G载体由不规则的颗粒状MgO堆积而成。由图2(b)可知，MgO-P由大小不一的MgO纳米片组成。由图2(c)可知，MgO-F由多级卷曲的MgO纳米片堆积形成，载体大小均一，形貌规整。

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▲ 图2   新鲜载体的SEM照片
2.1.3 N2吸/脱附分析
      新鲜催化剂的N2吸/脱附曲线和孔径分布曲线见图3。由图3(a)可知，根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）规定的分类标准判断，3种催化剂均属于为IV型等温线，且在相对压力为0.9~1.0时形成H3型滞后环，这是催化剂纳米颗粒堆积的结果，孔径大多为颗粒间的间隙孔[26]。由图3(b)可知，颗粒堆积孔径分布范围较广，但大都集中在0~25 nm。

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▲ 图3   新鲜催化剂的N2吸/脱附曲线(a)和孔径分布曲线(b)
      新鲜催化剂的比表面积、总孔容和平均孔径见表1。由表1可知，Ni/MgO-G和Ni/MgO-P的比表面积比较接近，但是Ni/MgO-G的总孔容和平均孔径比Ni/MgO-P大，说明Ni/MgO-G颗粒间空隙稍大。Ni/MgO-F的比表面积和平均孔径与另外两种催化剂相比，有明显的增大。较大的比表面积更有利于活性金属Ni的分散和锚定，为反应提供更多的活性位点，且一定程度上可抑制反应中Ni的颗粒聚集，有利于催化剂获得更高的DRM反应活性和更好的催化稳定性。

▼ 表1   新鲜催化剂的结构性质

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注：①采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）法计算。


2.1.4 H2-TPR和CO2-TPD分析
      为了进一步探究不同形貌催化剂金属与载体之间的相互作用能力，对新鲜催化剂进行了H2-TPR和CO2-TPD表征，结果见图4。由图4(a)可知，新鲜催化剂上出现多个还原峰，说明新鲜催化剂中Ni物种存在不同状态[27-28]，其中300~400 ℃的还原峰归属于相对较大尺寸的NiO颗粒与载体之间的弱相互作用，400~600 ℃的还原峰归属于尺寸较小的NiO颗粒与载体之间的中等强度相互作用，700 ℃及以上的还原峰归属于NiO与载体间的强相互作用。明显地，Ni/MgO-F在347 ℃处的峰强度较高，在700 ℃及以上区域的峰强度较低，说明其金属与载体之间的相互作用较弱，在反应中更容易被还原。由图4(b)可知，Ni/MgO-F、Ni/MgO-P和Ni/MgO-G的CO2脱附峰面积分别为129273、97050和112869。其中，Ni/MgO-F的脱附曲线强度更强，且峰型更宽，该催化剂应该有更多的脱附峰。所有新鲜催化剂的脱附温度范围都为50~500 ℃，对3种脱附曲线进行了拟合，其中Ni/MgO-G有两个位于176 ℃、268 ℃的脱附峰，Ni/MgO-P有两个位于171 ℃、284 ℃的脱附峰，均分别对应弱碱性位点和强碱性位点。Ni/MgO-F有3个位于141 ℃、243 ℃和294 ℃的脱附峰，分别对应弱碱性吸附位点、中等强度碱性吸附位点和强碱性吸附位点。因此，Ni/MgO-F不仅具有更多的碱性吸附位点，而且其吸附温度整体都向高温偏移，说明其碱性更强，有利于CO2分子的吸附活化。这可能归因于花状载体具有更多的弯曲与边缘结构，这些结构能暴露更多的缺陷位点，促进CO2分子的吸附活化。在DRM反应中，CO2吸附活化能力的提高通常有利于防止积碳[29-30]。

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▲ 图4   新鲜催化剂的H2-TPR 曲线(a)和CO2-TPD曲线(b)
2.1.5 CH4-Pulse-O2-TPO分析
      为了进一步阐明不同形貌催化剂对CH4分子裂解的影响，对新鲜催化剂进行了CH4-Pulse-O2-TPO表征，结果见图5。由图5(a)和图5(b)可知，经过还原后的催化剂在温度为800 ℃时，第一个CH4脉冲被快速消耗，并产生了较强的H2信号，说明碳沉积速率很快。随后，由于积碳导致活性位点被覆盖，H2信号明显减弱。由图5(c)和图5(d)可知，所有新鲜催化剂都表现出两个明显的氧化峰，位于300~400 ℃处的氧化峰归属于容易燃烧的碳物种（表面碳化物和聚合物碳），位于400~600 ℃处的氧化峰归属于较难燃烧的晶须碳和石墨碳。相较于其它两种催化剂，Ni/MgO-F的氧化峰强度明显更弱，且燃烧温度向低温偏移，说明该催化剂生成的积碳量较少，容易被燃烧，或在该催化剂表面仍存在部分活性金属，从而促进了积碳的燃烧。然而，H2信号逐渐减弱的趋势说明Ni/MgO-F的活性位点很可能被全部覆盖，因此，其氧化峰较弱主要是由于生成的积碳量较少，从而证明了该催化剂具有更弱的CH4分子脱氢裂解的能力。

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▲ 图5   新鲜催化剂的CH4-Pulse-O2-TPO 曲线：CH4 (a)、H2 (b)、CO2 (c)和CO (d)质谱信号

2.2 不同形貌载体负载的催化剂反应性能分析

      对不同载体形貌的催化剂进行了反应性能测试，结果见图6。由图6可知，载体形貌对于催化剂反应性能有显著影响。具体而言，花状载体制备的Ni/MgO-F具有最佳的反应性能，初始CO2和CH4转化率分别达到91.8%和84.5%，n(H2)/n(CO)为0.94，经过50 h的长期反应后的CO2和CH4平均转化率分别为90.2%和82.3%，n(H2)/n(CO)平均值为0.93。而颗粒状载体制备的Ni/MgO-G的初始CO2和CH4转化率分别为79.1%和67.0%，n(H2)/n(CO)为0.85。对比Ni/MgO-G，Ni/MgO-F的初始CO2转化率提高了12.7%，初始CH4转化率提高了17.5%，与初始反应活性相比，该催化剂在50 h的稳定性测试中，CO2和CH4转化率分别仅下降了约3%，归因于Ni/MgO-F具有更高的比表面积，有利于Ni物种的分散，其片状卷曲结构有利于提高反应中活性金属的抗烧结性能，而Ni/MgO-G与活性金属之间接触界面较少，不利于活性金属的分散。同时，Ni/MgO-F在同样的预处理条件下更容易被还原，能够在反应过程中提供更多的金属Ni活性位点。另外，Ni/MgO-F具有更强的CO2吸附活化性能，有利于快速消除活性位点上沉积的碳，防止金属活性位点被CH4深度裂解产生的积碳覆盖，从而提高DRM反应的活性与稳定性。虽然Ni-MgO-P初始反应活性较高，但是在反应过程中活性下降速率非常快，在50 h反应过程后，CH4和CO2转化率均下降了约10%，可能归因于在反应过程中金属Ni物种在片层结构中没有“束缚”，更容易发生聚集，从而导致金属Ni粒径增大，反应活性位点减少。同时，随着金属Ni粒径增大，CH4裂解速率加快，导致积碳增多，使得反应活性和稳定性快速下降。

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▲ 图6   催化剂的DRM反应性能：CH4转化率(a)、CO2转化率(b)、n(H2)/n(CO) (c)和50 h反应性能平均值(d)

2.3 反应后不同形貌载体负载的催化剂表征分析

      对反应后不同载体形貌的催化剂进行了XRD表征，结果见图7(a)。为了进一步研究反应后催化剂的积碳情况，进行了TG表征，并通过TG曲线计算了3 种催化剂的积碳量，结果见图7(b)。由图7(a)可知，无对应碳物种标准卡位置的衍射峰，说明反应后催化剂积碳量较少或形成的积碳物种的结晶性较差。与还原后催化剂相似，反应后催化剂呈现出同样的固溶体衍射峰。此外，Ni/MgO-F、Ni/MgO-P和Ni/MgO-G在2θ = 44.8°、52.2°、76.0°和76.9°处出现了较小的金属Ni衍射峰，尤其是Ni/MgO-F的金属Ni衍射峰更为明显，这可能归因于在长时间的800 ℃高温反应条件下，催化剂固溶体在强还原性的H2气氛下被深度还原，且可能发生还原后的微小Ni纳米粒子的烧结聚集[23-25]。该结果也再次证明了Ni/MgO-F中的NiO更容易还原。

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▲ 图7   反应后催化剂的XRD谱图(a)和TG曲线(b)
      由图7(b)可知，3种反应后催化剂的TG曲线均包含3个阶段：在第一阶段（200~300 ℃），质量分数的下降归因于催化剂表面水的脱附和表面活性金属的氧化；在第二阶段（400~500 ℃），质量分数的下降归因于无定形碳的氧化；在第三阶段（500~800 ℃），质量分数的下降归因于较难燃烧的石墨碳的气化。反应后催化剂的TG曲线失重范围主要在500~700 ℃，表明有较多碳纳米管和石墨类碳物种生成[31-32]。此外，根据TG曲线计算了Ni-MgO-F、Ni/MgO-P和Ni/MgO-G的积碳量分别为6.99%、12.82%和13.15%，其中Ni/MgO-F的积碳量明显低于其他两种催化剂，这主要归因于该催化剂具有更强的CO2吸附活化能力，以及相对更弱的CH4裂解脱氢能力。

3 结论

      本文采用水热-浸渍法合成了片状和花状MgO载体负载的Ni基催化剂，与商用颗粒状MgO载体浸渍的Ni基催化剂相比较，探究了不同形貌载体负载的Ni基催化剂对DRM反应性能的影响，并通过多种表征阐明了其影响机制，得到以下主要结论。
      （1）不同形貌MgO载体负载的Ni基催化剂对DRM反应性能有显著影响。与颗粒状MgO载体负载的Ni基催化剂相比，片状载体负载的Ni基催化剂具有更高的初始活性，然而，该催化剂稳定性较差，在50 h反应过程中，CH4和CO2转化率均下降了约10%。值得注意的是，花状载体负载的Ni基催化剂显示出最好的反应性能，在经过50 h反应后，CO2和CH4的平均转化率分别为90.2%和82.3%，n(H2)/n(CO)平均值为0.93。花状载体负载的Ni基催化剂比颗粒状MgO载体负载的Ni基催化剂的初始CO2转化率提高了12.7%，初始CH4转化率提高了17.5%。此外，该催化剂也具有更好的稳定性，在50 h的稳定性测试中，CO2和CH4转化率之和仅下降了约3%。
      （2）结合反应性能测试和表征结果，不同形貌载体负载的Ni基催化剂对DRM反应性能具有不同影响，可归因于活性金属Ni的分散程度、还原度以及CO2的吸附活化程度不同。其中，花状MgO载体负载的Ni基催化剂具有更大的比表面积，有利于Ni物种的分散，且该催化剂在同样预处理条件下更容易被还原，使其表现出更高的初始活性。此外，花状载体中更多的弯曲与边缘结构和碱性位点促进了CO2分子的吸附活化，提高了DRM反应活性和稳定性。


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