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氢气具有清洁以及燃烧效率高的优点,是一种极具应用潜力的燃料。然而目前工业上最主要的制氢方式仍是依赖于化石燃料,不仅原料不可再生,同时还会带来大量CO2的排放。乙醇分子氢碳比高,可由多种生物质发酵大规模生产,来源广泛,是一种极具潜力的可再生制氢原料。然而,应用于乙醇重整制氢的镍基催化剂在高温反应条件下易发生表面积碳和金属镍的烧结而导致催化剂失活。同时,蒸汽重整强吸热的特点加剧了乙醇重整制氢技术的能量消耗。本论文采用基于金属-载体相互作用的催化剂设计思路,通过增强金属-载体相互作用分散并稳定Ni纳米颗粒,调控金属-载体相互作用实现乙醇氧化分解与水的活化过程的动态平衡,设计并合成了一系列高效稳定的镍基乙醇重整催化剂。
构筑有序介孔结构抑制高温反应条件下Ni物种的迁移过程。采用蒸发引导自组装的方法合成有序介孔结构Al2O3,利用介孔结构强化Ni与Al2O3之间的相互作用,抑制金属Ni烧结,并引入MgO调节载体酸性,抑制积碳生成,适量MgO修饰的Ni/Al2O3催化剂在30小时稳定性测试中保持稳定。
围绕Sn的添加对Ni-CeO2体系催化性能的影响进行了研究。引入Sn与Ni形成NiSn表面合金,抑制了金属Ni表面积碳的生成,提升了Ni/CeO2催化剂的稳定性。此外,Sn的加入可以调控Ni-CeO2的金属-载体相互作用,并对催化剂的氧迁移及表面乙醇蒸汽重整的反应路径产生影响。
通过非平衡的两步制备法实现了Ni/NixMg1?xO体系中Ni0/Ni2+位点比例可调。Ni与NixMg1?xO的晶格匹配实现了金属Ni的高度分散以及限域稳定。在毗邻Ni0位点催化C–C断键与Ni2+位点活化*CHx脱氢的协同作用下,在具有合适Ni0/Ni2+比例关系的位点可以实现以生物乙醇为原料的高选择性稳定制氢。
改变NixMg1?xO固溶体中Mg2+浓度调控其氧物种活性,并将NixMg1?xO作为新型载氧体运用于乙醇化学链重整制氢过程中。在体相氧和金属Ni催化作用的协同下,固溶体型载氧体在水碳比为1的条件下实现了78.7%的氢气选择性,并在30个循环的自热运行中保持稳定。通过600℃的氧化再生,NixMg1?xO固溶体的结构可以实现复原,为高效稳定低能耗的乙醇重整制氢提供了新的思路。
构筑有序介孔结构抑制高温反应条件下Ni物种的迁移过程。采用蒸发引导自组装的方法合成有序介孔结构Al2O3,利用介孔结构强化Ni与Al2O3之间的相互作用,抑制金属Ni烧结,并引入MgO调节载体酸性,抑制积碳生成,适量MgO修饰的Ni/Al2O3催化剂在30小时稳定性测试中保持稳定。
围绕Sn的添加对Ni-CeO2体系催化性能的影响进行了研究。引入Sn与Ni形成NiSn表面合金,抑制了金属Ni表面积碳的生成,提升了Ni/CeO2催化剂的稳定性。此外,Sn的加入可以调控Ni-CeO2的金属-载体相互作用,并对催化剂的氧迁移及表面乙醇蒸汽重整的反应路径产生影响。
通过非平衡的两步制备法实现了Ni/NixMg1?xO体系中Ni0/Ni2+位点比例可调。Ni与NixMg1?xO的晶格匹配实现了金属Ni的高度分散以及限域稳定。在毗邻Ni0位点催化C–C断键与Ni2+位点活化*CHx脱氢的协同作用下,在具有合适Ni0/Ni2+比例关系的位点可以实现以生物乙醇为原料的高选择性稳定制氢。
改变NixMg1?xO固溶体中Mg2+浓度调控其氧物种活性,并将NixMg1?xO作为新型载氧体运用于乙醇化学链重整制氢过程中。在体相氧和金属Ni催化作用的协同下,固溶体型载氧体在水碳比为1的条件下实现了78.7%的氢气选择性,并在30个循环的自热运行中保持稳定。通过600℃的氧化再生,NixMg1?xO固溶体的结构可以实现复原,为高效稳定低能耗的乙醇重整制氢提供了新的思路。