耐高温催化剂的设计合成及催化甲烷自热重整构效关系研究

The auto-thermal reforming of methane has attracted great attention due to the converting of CH4 and CO2 as two greenhouse gases to high value-added syngas with low heat input and carbon deposition. However, the main obstacle facing this technology lies in the sintering，carbon deposition and low thermal conductivity of catalysts at high temperatures. Thus, a new Ni-Ce-SiC composite has been developed as high temperature catalyst for the first time in methane auto-thermal reforming process, due to the high oxygen storage capacity of CeO2 and high thermal conductivity of SiC. Energy consumption and theoretical conversions based on the Gibbs energy minimization method under various temperatures and gas components are calculated to optimize the operating condition. Research on different synthesis method of Ni-Ce-SiC and the design of catalyst receipt are controlled to adjust the active sites, oxygen storage capacity, and thermal conductivity, thus to improve the anti-sintering property, eliminate carbon formation, and reduce heat supply. This work will provide experimental and theoretical support for the design of high temperature catalyst of methane reforming, and improve the low carbon utilization of methane.

甲烷自热重整反应将甲烷和二氧化碳两种温室气体转化为合成气产品，同时O2存在产生的自热效应可以减少系统能量输入和催化剂积碳的产生，研究意义重大。针对甲烷自热重整过程中催化剂面临的高温烧结、积碳、导热性能差等关键问题，申请人以耐高温的催化剂的设计合成及催化剂的构效关系解析为目标，创新性地开发Ni-Ce-SiC耐高温催化剂，解析甲烷自热重整在不同温度和气体组分条件下的热力学行为，优化操作条件；对催化剂活性位点、载氧能力、导热性能进行设计调控，解析Ni-Ce-SiC耐高温催化剂在甲烷自热重整体系下的构效关系，提高催化剂的活性和稳定性，降低系统能量输入。以上研究将为耐高温甲烷重整催化剂的设计合成提供共性的科学基础，推进甲烷低碳高值化技术的发展。

甲烷自热重整反应将甲烷和二氧化碳两种温室气体转化为合成气产品，同时O2存在产生的 自热效应可以减少系统能量输入和催化剂积碳的产生，研究意义重大。针对甲烷自热重整过程 中催化剂面临的高温烧结、积碳、导热性能差等关键问题，申请人以耐高温的催化剂的设计合 成及催化剂的构效关系解析为目标，创新性地开发Ni基耐高温催化剂，解析甲烷自热重 整在不同温度和气体组分条件下的热力学行为，优化操作条件;对催化剂活性位点、载氧能力 、导热性能进行设计调控，解析Ni基耐高温催化剂在甲烷自热重整体系下的构效关系， 提高催化剂的活性和稳定性，降低系统能量输入。主要结论如下：.(1)在沼气自热重整体系中，自热效应（auto-thermal effect）发生在550~650℃范围内，考虑到在实际沼气中，CH4/CO2 >1，综合考虑CO2利用率，能量消耗等因素，CH4/CO2/O2=1.5:1:0.5是最优的气体组成。.(2)结合材料反应前后的物相组成、微观形貌、表面特性及催化稳定性的系统分析对比， Ni/MgO能够兼顾转化率与良好的稳定性和抗积碳性能，是较为合适的沼气重整催化剂。.(3)沼气自热重整体系中，氧气的存在可以增加催化剂的抗烧结性能和抗积碳性能。一个非常重要的机理是：氧气存在可以改变活性金属周围的还原环境，进而影响活性镍颗粒的迁移性，抑制催化剂烧结。同时，沼气中氧气组分的存在可以消除积碳，是因为积碳与氧气可以发生碳的气化反应。. 以上研究将为耐高温甲烷重整催化剂的设计合成提供共性的科学基础，推进甲烷低碳高值化技术的发展。