催化裂解甲烷制备氢气和碳纳米管的研究.docVIP

2011-2012学年第2学期“工业催化”化工（3）班期中考试试卷 催化裂解甲烷制备氢气和碳纳米管的研究 …… （化工学院，兰州，730124） 中文摘要：综述了甲烷催化裂解制氢和碳纳米管的机理，催化剂种类、载体种类和反应条件的选择对该反应的影响以及催化剂的失活与再生。 关键词：裂解甲烷、氢气、碳纳米管 Abstract：In this paper, the principle of the catalytic decomposition of methane were reviewed. The effects of different catalysts and supports, reaction condition on the catalytic decomposition of methane and deactivation regeneration of catalyst were also discussed. Key words：methane decomposition，hydrogen，carbon nanotubes 引言： 随着化石燃料的日益枯竭，太阳能和风能等已不能提供人类对能量的大规模需求。开发洁净廉价的燃料替代化石燃料已成为各国竞相研究的热点。氢气作为一种理想的清洁燃料，其燃烧产物只有水，对环境无任何污染。已被广泛应用于航天行业、电子行业、冶金、化工等行业。由于氢能源的作用日益显现，人类对氢能源的需求也越来越大，研究制备氢能源的新的方便可行的途径已迫在眉睫。 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管以其独特的纳米管状结构、优异的物理化学特性在信息存储领域、储氢材料领域和复合材料领域也同样备受关注。 由于裂解甲烷可以制得氢气和碳纳米管这两种非常重要的产品。因而这一技术路线已成为了众多研究者研究的热点。 甲烷催化裂解机理 甲烷在一定的条件下可以发生如下的反应： CH4↑ 催化剂 C+2H2↑ （△H298θ =+75KJ/mol） G·F·Froment等人对于甲烷在镍基催化剂上裂解的机理进行了深入的研究。该机理如下： CH4 CH3+H CH3 CH2+H CH2 CH+H CH C+H 由上式易知，CH4 在镍基催化剂上的裂解是逐步进行的，即由CH4 逐步裂解为碳和氢气。但该机理并不能解释某些实验现象。因而，K·J·Kinetics 等人又对甲烷裂解的机理进行了更深入的研究，研究结果表明：由于CH3 物种中金属与吸附质之间相互作用力较弱，高氢量的CHX ，例如CH3 比CH2、CH更为活跃，因此在金属活性位与载体之间迁移的物种主要为CH3 ，即H2 以及低含氢量的C物种主要由CH3 产生，这种解离机理能够解释大多数的实验现象。 影响甲烷催化裂解的因素 催化剂种类对甲烷裂解的影响 催化剂的种类是影响甲烷裂解的一个重要的因素，不同的催化剂对甲烷裂解的影响大不相同。Van Santen等人发现不同的金属对甲烷的活化顺序如下所示：Co, Ru, Ni, Rh Pt, Re, Ir Pd, Cu, W, Fe, Mo。由于镍基催化剂的活性较高，价格相对便宜。因而在甲烷催化裂解的研究中，镍被广泛的用作催化剂活性材料。而且Kiyoshi Otsuk等人在0.5g催化剂上，773K温度下循环0.2mmol甲烷，测试了甲烷在各种金属催化剂上的转化率，并得出甲烷在Ni/TiO2 、Ni/ZrO2 和Ni/SiO2 上的活性较高。因此，作者认为镍基催化剂最适合作为甲烷催化裂解的催化剂。 载体种类对甲烷裂解的影响 金属催化剂常须将金属以微粒状态分散到Al2 O3 或SiO2 等耐高温的无机氧化物粉末表面，或用金属盐溶液在沸石、黏土等孔隙结构上离子交换，然后还原成分散的金属微粒。载体对催化剂的作用主要有以下几种：改善催化剂的强度，导热性和热稳定性；保证催化剂具有一定的形态；增大活性表面；为催化剂提供活性中心和适宜的孔结构。 载体在甲烷裂解的反应中也同样具有非常重要的作用。Sakae Takenaka 等人通过对负载于SiO2 ，TiO2 ，C（石墨），MgO-SiO2 ，MgO，SiO2 -Al2 O3 和Al2 O3 上的活性和催化剂的寿命进行了研究。结果发现在Ni／Si02 、Ni／C(石墨)、Ni／TiO2 上甲烷的初始转化率比在其它催化剂上的高，而且Ni／SiO2 的寿命是其中最长的。因此，作者认为在镍基催化剂中，SiO2 最适合作为催化裂解甲烷的催化剂的载体。 添加助剂对甲烷裂解的影响 在催化反应中