铜镍合金纳米催化剂在甲烷二氧化碳重整方面的应用

【摘要】：社会经济的发展，人口的剧增，对能源的供给提出了更高的要求。虽然我国一直在大力发展风能、核能、太阳能等清洁能源，但是，化石原料对能源的供给，仍是这个社会的长期主题，短时间内难以改变。众所周知，化石原料的消耗会造成大量的二氧化碳排放，引起严重的温室效应。如何有效地利用二氧化碳，成为当下研究的热点。甲烷二氧化碳重整反应可将温室气体二氧化碳和甲烷转换为化工合成中非常重要的化工合成气（一氧化碳和氢气），不仅能保护环境，减轻温室效应，还能形成巨大的经济效益，近年来备受研究者们的关注。 过去的研究表明，镍基催化剂为甲烷二氧化碳重整反应中最为廉价有效的催化剂。但是，镍基催化剂积碳严重、抗烧结能力差等弱点，阻碍了其在工业上的进一步发展。双金属合金催化剂，由于金属原子的协同效应，能够显著改善催化剂的催化性能。已有研究指出，贵金属诸如铂、钯、铑等的掺杂，能够有效提高镍基催化剂在甲烷二氧化碳重整反应中的热稳定性和抗积碳能力。然而，贵金属元素价格昂贵，储量稀少，难以应用到工业化生产中。因此，合成具有良好催化活性和稳定性的双金属催化剂显得尤为重要。 我们成功地合成出两种不同类型的铜镍合金纳米催化剂，并将之应用于甲烷二氧化碳重整反应中，取得了良好的效果。在第一个实验中，我们通过微乳法合成出铜镍二氧化硅核壳包覆结构。通过二氧化硅的包覆，我们解决了铜镍合金纳米颗粒粒径不均一的问题（5-50nm），成功合成出平均粒径为12nm的铜镍合金纳米颗粒。经过催化性能测试，我们发现，适量铜元素的掺杂能够有效抑制反水气反应的发生，提高催化反应效率，并且二氧化硅壳层能够起到阻止纳米颗粒高温烧结的作用，催化剂显示出良好的热稳定性。在第二个实验中，我们通过金属硅酸盐前体，设计出日冕型铜镍二氧化硅负载型催化剂。该催化剂具有金属纳米颗粒粒径小（平均粒径7nm），金属负载量大，比表面积大（400m2/g）等优势，非常适用于甲烷二氧化碳重整催化反应。此外，我们还对其生长机理做了较为深入的分析，发现适量PVP的加入能够有效调控催化剂的形貌。当铜镍之比为1/3时，催化剂拥有最优良的催化活性和稳定性。 综上所述，我们的实验表明，两种类型的铜镍合金催化剂均拥有优异的催化性能，有望在未来成为甲烷二氧化碳重整反应的工业催化剂，创造经济效益，促进化工工业的发展。 【关键词】：铜镍合金 催化剂 甲烷二氧化碳重整反应 核壳包覆结构 日冕型结构
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ426.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 引言12-13
• 1.2 甲烷二氧化碳重整反应的催化组分13-20
• 1.2.1 催化的活性金属组分13-15
• 1.2.2 催化剂载体15-18
• 1.2.3 催化剂助剂18-20
• 1.3 催化剂的合成方法20-23
• 1.3.1 浸渍法21-22
• 1.3.2 溶胶凝胶法22
• 1.3.3 微乳法22-23
• 1.3.4 水热法23
• 1.4 甲烷二氧化碳重整反应的催化机理23-26
• 1.4.1 甲烷二氧化碳重整反应的热力学条件23-25
• 1.4.2 甲烷二氧化碳重整反应的反应机理25-26
• 1.5 甲烷二氧化碳催化反应催化剂的失活26-28
• 1.6 本论文研究的内容和意义28-29
• 第二章 实验方法29-33
• 2.1 实验化学试剂和表征设备29-30
• 2.2 催化剂合成方法30-31
• 2.2.1 Cu-Ni@SiO2核壳包覆结构催化剂的合成30
• 2.2.2 日冕型 Cu-Ni/SiO_2负载型结构催化剂的合成30-31
• 2.2.3 传统浸渍法 Ni/SiO_2负载型结构催化剂的合成31
• 2.3 催化剂性能测试31-33
• 第三章 Cu-Ni@SiO_2在甲烷二氧化碳重整方面的应用33-52
• 3.1 引言33-34
• 3.2 Cu-Ni@SiO_2核壳结构的合成及形貌表征34-44
• 3.3 Cu-Ni@SiO_2的催化性能测试44-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 日冕型 Cu-Ni/SiO_2在甲烷二氧化碳重整反应的应用52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 日冕型 Cu-Ni/SiO_2负载型结构催化剂的合成与表征52-65
• 4.3 日冕型 Cu-Ni/SiO_2的催化性能测试65-68
• 4.4 本章小结68-70
• 第五章 结论70-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文77-78
• 致谢78

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