活性炭負載Ni在甲苯水蒸氣重整中的應用

Ni nanoparticles supported on carbon as efficient catalysts for steam reforming of toluene (model tar)

申春，杜樂，周五青，余浩

（北京化工大學）

內容簡介

化石能源的日益短缺，以及帶來的嚴重的環境問題使人們愈來愈重視可再生清潔能源生物質能源的開發利用。最有潛力的生物質能源利用方法是氣化為合成氣。但是氣化產氣中，會產生一種成分複雜、危害極大的焦油雜質，因此焦油的脫除是一項亟需解決的難題。水蒸氣重整是處理生物質焦油最有前景、最經濟有效的方法。其中催化活性高、價格便宜、壽命長的催化材料的設計及製備是該領域的熱點問題。炭系催化劑具有價格便宜，比表面積高，孔結構發達，且有生物相容性等優點被廣泛用作催化劑載體。鎳系是催化裂解焦油性能最好的催化劑。但是目前甚少有以炭系做載體製取催化劑催化裂解焦油的報道，而且負載在炭繫上的鎳納米顆粒存在粒徑大、分布廣等問題。因此本文以活性炭為載體，鎳為活性組分，通過對載體的改性得到了粒徑小、分布窄的負載型鎳納米顆粒；並以甲苯為生物質焦油的模型化合物，考察了製備得到的催化材料的催化活性。

首先，在催化材料的製備方面，製備了不同條件（炭載體的預處理、不同鎳源、浸漬溶劑、負載方法、催化劑煅燒氛圍及還原溫度等）的催化劑，並對其進行了多種物理表徵。得到了最優的催化劑製備條件：採用硝酸鎳為鎳源，濃硝酸處理後的炭顆粒為載體，用去離子水作為浸漬溶劑，過量浸漬室溫磁力攪拌時間為室溫2 h，還原氣氛採用在高純氫氣下，還原溫度為350 ℃，時間為3 h。成功製備出了粒徑小、分布窄的鎳納米顆粒，其平均粒徑在4.5 nm左右。並通過對負載型鎳納米顆粒負載量的調節實現了其平均粒徑的可控化調節，隨著鎳含量從6 wt%提升至18 wt%，其平均粒徑從4.5 nm增長至9.1 nm。

其次，在性能表徵平台的搭建方面，建立了一套完整準確成熟的反應工藝。設計搭建了用於甲苯蒸汽重整的催化劑活性評價裝置，並通過實驗驗證了評價裝置的穩定性、實驗重現性和準確性。建立了檢測結果準確可靠的檢測方法，分別採用內標法和外標法對液相產物和氣相產物進行定量分析，並製得了相應的標準曲線，可以確定所測得的結果真實可信。同時建立了甲苯轉化率和各產氣組成的計算方法。

最後，系統考察了反應條件對轉化率和各物質選擇性的影響。研究了停留時間、水蒸氣和碳的摩爾比、反應溫度、催化劑鎳負載量等不同的操作反應條件對甲苯轉化率和產氣組成的影響。在甲苯蒸汽重整反應中，製備的催化劑表現了高的催化活性和良好的穩定性：當水蒸氣和碳的摩爾比為3，鎳負載量為12 wt.%的催化劑得到了98.1%的甲苯轉化率；反應700 min後，甲苯的轉化率下降至92%。本工作中製備的催化劑成本低、催化活性高以及穩定性高，為生物質焦油的高效、低成本化催化轉化提供了新思路。

圖表導讀

通訊作者及團隊介紹

杜樂，北京化工大學，化學工程學院，膜分離過程與技術北京市重點實驗室，副教授，碩士生導師。2005-2009年就讀于于清華大學化學工程系就讀，獲學士學位；2008年赴日本東京大學機械工程系學習交流；2009年起在清華大學化學工程系直讀博士研究生，師從駱廣生教授，2014年獲得博士學位；2014至今在北京化工大學任教。主要從事多相微流控技術的基礎科學規律和平台實際應用研究，如功能微/納米材料、功能器件和催化劑的製備方法研究，以及藥物中間體的合成方法研究。近年來發表學術論文近30篇，包括SCI收錄論文23篇（其中第一作者及通訊作者19篇），獲授權中國發明專利3項。目前主持國家自然科學基金青年基金一項，國重開放基金一項，北京化工大學青年後備人才啟動基金一項，企業橫向項目兩項（以上均為項目負責人）；參與國家自然科學基金兩項，企業橫向課題一項。

通訊作者所在的團隊隸屬於北京市膜分離重點實驗室，以乳化液膜技術、膜材料製備實現高效反應和分離過程和新膜過程開發為主要研究方向，對於多相流體中的傳質、反應、分離過程有較好的研究基礎。本篇論文合作方、第一作者申春副教授所在的團隊隸屬於北京市生物加工過程重點實驗室和國家能源生物煉製研發中心，重點關注非糧生物質資源的高效利用，開展了多種生物質催化轉化的基礎研究。

全文鏈接(doi號):

https://doi.org/10.1016/j.cjche.2017.03.028

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