太阳能甲烷二氧化碳重整反应催化活性吸收体的研究

【摘要】：太阳能甲烷二氧化碳重整反应能将所聚集的太阳能转化为化学能，实现太阳能的高温蓄热，得到各国的广泛关注。催化活性吸收体是进行太阳能吸收利用和甲烷催化重整的关键而成为太阳能甲烷重整反应的研究热点。 本课题首次用AISI316泡沫金属为基体制得催化活性吸收体(Ru/Al_2O_3/AISI316，Ni/Al_2O_3(MgO)/AISI316，La_2NiO_4(LaNiO_3)/Al_2O_3/AISI316)，结合XRD、TPR、TPD和CO_2脉冲吸附等技术手段研究了催化活性吸收体的晶相组成和表面特性。并在常压连续流动固定床反应器上考察了催化活性吸收体对甲烷二氧化碳重整反应的催化性能。结果表明： 对于催化活性吸收体Ru/Al_2O_3/AISI316，甲烷重整反应的甲烷转化率和H_2/CO比随温度的升高而升高；当空速在3×104-1.5×105mL/(gcat·h)范围内，900℃时甲烷重整反应的甲烷转化率大于90%，且相对稳定，而H_2/CO比迅速降低后保持基本稳定；甲烷转化率随原料气中CO_2浓度的增加而显著升高，当V(CO_2)/V(CH_4)=2时，800℃时甲烷转化率已达100%；800℃时在线反应100h未见失活，具有良好的稳定性。对比AISI316，Ru/AISI316和Ru/Al_2O_3/AISI316的催化活性可知，涂层载体是催化活性吸收体活性和稳定性的关键。与Ru/Al_2O_3相比，Ru/Al_2O_3/AISI316中AISI316泡沫金属基体可增加活性组分与载体的相互作用并增加高度分散的活性物种而具有更高的活性。在高温反应过程中，Ru/Al_2O_3/AISI316的基体物相有所改变，但不影响其催化活性和稳定性。 对于Ni/Al_2O_3(MgO)/AISI316，MgO助剂的添加可显著提高Ni/Al_2O_3/AISI316的催化活性；Al_2O_3载体含量的增加可提高活性组分NiO的分散性；相对Ni/Al_2O_3，Ni/Al_2O_3/AISI316中由于泡沫金属AISI316的引入，高度分散的NiO物种显著增加；Ni/Al_2O_3/AISI316对CO_2吸附能力弱于Ru/Al_2O_3/AISI316。 对于钙钛矿型复合氧化物La_2NiO_4和LaNiO_3作为催化活性组分，La_2NiO_4/Al_2O_3/AISI316的催化活性高于LaNiO_3/Al_2O_3/AISI316，且与LaNiO_3相比，在600-700℃温度范围内La_2NiO_4具有更好的低温催化活性；与LaNiO_3相比，La_2NiO_4中Ni可被还原为粒径更小的活性组分Nio，高度分散在生成的La2O_3上，而具有更高的活性。 基于太阳能化学反应热力学分析得出的太阳能化学反应反应器的最佳腔体温度，推导出适合太阳能CH_4/CO_2重整反应能量转化效率的计算公式，并计算了储能密度。分析总结了结构特性以及辐照能流密度、反应温度和空速等反应操作条件对AISI316催化活性吸收体上能量转化效率的影响。 【关键词】：太阳能 甲烷重整反应 泡沫金属 催化活性吸收体
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK512.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 物理量名称及符号表9-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 研究意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-29
• 1.2.1 太阳能甲烷二氧化碳重整反应14
• 1.2.2 甲烷二氧化碳重整反应14-22
• 1.2.3 太阳能甲烷重新反应催化活性吸收体22-29
• 1.3 研究目的及研究内容29-31
• 第2章 实验方法31-39
• 2.1 总体技术路线31
• 2.2 主要的实验试剂及仪器31-32
• 2.2.1 实验中所用主要试剂31-32
• 2.2.2 主要实验仪器32
• 2.3 制备方法32-33
• 2.3.1 泡沫金属基催化活性吸收体的制备32-33
• 2.3.2 ABO_3和 A_2BO_4型复合氧化物催化剂的制备33
• 2.4 催化剂活性评价33-35
• 2.5 数据处理计算公式35-36
• 2.6 主要表征手段36-39
• 2.6.1 X-射线衍射(XRD)分析36
• 2.6.2 程序升温还原(H_2-TPR)分析36-37
• 2.6.3 程序升温脱附(CO_2/CH4-TPD)分析37
• 2.6.4 CO2脉冲吸脱附37
• 2.6.5 光学显微分析37
• 2.6.6 X 荧光光谱分析37-39
• 第3章 Ru/Al_2O_3/AISI316 催化活性吸收体的催化反应性能及结构表面特性39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 Ru/Al_2O_3/AISI316 的催化性能39-45
• 3.2.1 Al_2O_3涂层对催化性能的影响39-41
• 3.2.2 温度对催化性能的影响41-42
• 3.2.3 空速对催化性能的影响42-44
• 3.2.4 原料比对催化性能的影响44-45
• 3.2.5 催化活性吸收体的稳定性45
• 3.3 催化活性吸收体的结构和表面特性45-51
• 3.3.1 泡沫金属结构特性45-47
• 3.3.2 表面物相分析47-49
• 3.3.3 H_2-TPR 结果分析49-50
• 3.3.4 CO_2-TPD 表征结果及讨论50-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 Ni 基催化活性吸收体的涂层载体研究及表面特性分析53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 Ni/Al_2O_3AISI316 和 Ni/Al_2O_3-MgO/AISI316 的催化性能53-56
• 4.2.1 涂层改性对催化性能的影响53-55
• 4.2.2 涂层负载量对催化性能的影响55-56
• 4.3 催化活性吸收体的表面特性56-60
• 4.3.1 物相分析56-57
• 4.3.2 H2-TPR 谱图分析57-58
• 4.3.3 CO2-TPD 谱图分析58-59
• 4.3.4 CO2吸附和脱附59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 La_2NiO_4(LaNiO_3)/Al_2O_3/AISI316 催化活性吸收体的催化性能61-73
• 5.1 引言61
• 5.2 La_2NiO_4、LaNiO3、LaFeO3的催化性能61-64
• 5.2.1 La_2NiO_4、LaNiO3、LaFeO3粉末的催化性能61-63
• 5.2.2 La_2NiO_4、LaNiO3催化活性吸收体的催化性能63-64
• 5.3 催化活性吸收体的表面特性64-71
• 5.3.1 物相分析64-66
• 5.3.2 H_2-TPR 谱图分析66-68
• 5.3.3 CO_2-TPD 谱图分析68-69
• 5.3.4 CH_4-TPD 谱图分析69-71
• 5.4 本章小结71-73
• 第6章 太阳能 CH_4/CO_2重整反应能量转化特性及影响因素分析73-83
• 6.1 引言73
• 6.2 太阳能甲烷重整反应系统集成原理73-76
• 6.2.1 太阳能甲烷重整反应能量存输系统73-74
• 6.2.2 太阳能热化学反应的热力学分析74-76
• 6.3 太阳能甲烷二氧化碳重整反应能量转化特性76-78
• 6.3.1 太阳能甲烷二氧化碳重整反应能量转化效率计算分析76-77
• 6.3.2 太阳能甲烷二氧化碳重整反应储能密度77-78
• 6.4 Ru(Ni)/Al_2O_3/AISI316 上能量转化效率影响因素分析78-81
• 6.5 本章小结81-83
• 结论83-85
• 参考文献85-91
• 攻读硕士期间所发表的论文91-93
• 致谢93

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