以类水滑石为前驱体制备Ru基CH4-CO2重整催化剂
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2015年11月第23卷第11期 工业催化INDUSTRIALCATALYSIS
Nov.2015
Vol.23 No.11
催化剂制备与研究
收稿日期:2015-08-03
基金项目:福建省自然科学基金(2015J01050)资助项目;福州大学科技发展基金(600866)资助项目作者简介:李汝乐,1989年生,男,河北省沧州市人,在读硕士研究生,研究方向为甲烷二氧化碳重整制合成气。
通讯联系人:江莉龙,研究员。
以类水滑石为前驱体制备Ru基
CH4-CO2重整催化剂
李汝乐,范言语,鲁苗苗,林性贻,李达林,詹瑛瑛,江莉龙
(福州大学化肥催化剂国家工程研究中心,福建福州350002)
摘 要:以类水滑石为前驱体,采用共沉淀法制备了不同Ru含量的xRu/Mg(Al)O催化剂(x=1,2,4),采用XRD、H2-TPR和CO脉冲吸附等表征催化剂结构和Ru金属分散度,并评价Ru含量对CH4-CO2重整反应活性与稳定性的影响。
XRD与CO脉冲吸附结果表明,Ru含量增加时,还原后R
u金属颗粒的表面活性位数目增加,但分散度降低,Ru金属的粒径增大。
活性测试结果表明,Ru质量分数为2%时,催化剂活性最高。
Ru质量分数为1%时,催化剂具有较好的稳定性,归属于高分散Ru金属颗粒与Mg(Al)O载体之间的强相互作用。
关键词:催化化学;CH4-CO2重整催化剂;钌含量;类水滑石doi:10.3969/j.issn.1008 1143.2015.11.007
中图分类号:O643.36;TQ426.95 文献标识码:A 文章编号:1008 1143(2015)11 0887 05
PreparationofRucatalystsfromhydrotalcite likecompoundsforcarbondioxidereformingofmethane
LiRule,FanYanyu,LuMiaomiao,LinXingyi,LiDalin,ZhanYingying,JiangLilong
(NationalEngineeringResearchCenterofChemicalFertilizerCatalyst,
FuzhouUniversity,Fuzhou350002,Fujian,China)
Abstract:Usinghydrotalcite likecompoundsastheprecursor,aseriesofsupportedRu/Mg(Al)Ocata lystswithRumassfractionsof1%,2%and4%werepreparedbycoprecipitationmethod.ThecatalystswerecharacterizedbyusingthetechniquesofXRD,H2 TPRandCOchemisorptions.TheinfluenceofRuloadingsontheactivityandstabilityofthecatalystsforCH4 CO2reformingreactionwasinvestigated.TheresultsofXRDandCOchemisorptionindicatedthatthenumberofRusurfaceactivesitesonRumetalparticlesincreasedwiththeincreaseofRuloadings,however,higherRuloadingledtolowermetaldisper sionandlargermetalparticles.Theresultsofactivitytestsshowedthatthehighestactivitywasachievedon2Ru/Mg(Al)Ocatalyst,and1Ru/Mg(Al)Ocatalystexhibitedhigherstabilityat750℃forreactiontime30h,whichmightberelatedtothestronginteractionbetweenthehighlydispersedRumetalparticlesandMg
(Al)Osupport.Keywords:catalyticchemistry;CH4 CO2reformingcatalyst;Rucontent;hydrotalcite likecompoundsdoi:10.3969/j.issn.1008 1143.2015.11.007
CLCnumber:O643.36;TQ426.95 Documentcode:A ArticleID:1008 1143(2015)11 0887 05
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888 工业催化 2015年第11期
CH4和CO2是两种温室气体,
将其转化为合成气(H2和C
O)已引起广泛关注[1]。
研究表明,大部分第Ⅷ族金属对CH4-CO2重整反应均具有催化活
性[2]。
然而重整反应过程中CH4分解和C
O歧化反应会形成大量积炭,覆盖催化剂的活性位点导致催化剂失活或破坏催化剂颗粒导致系统压力增大,积炭对于非贵金属催化剂如N
i尤为严重[3]。
与非贵
金属相比,贵金属催化剂如Rh、Ru和Pt具有较强的抗积炭能力,其中,Ru的活性较高,且价格低于其他贵金属,已成为研究热点之一[4-6]。
以类水滑石为前驱体是制备高分散金属催化剂的有效方法,已
广泛应用于N
i基催化剂的制备[7-9]。
类水滑石化
合物是种具有层状双羟基结构的阴离子黏土。
类水滑石化合物经焙烧后得到的氧化物具有较高的比表面积,其表面碱性位可以与CO2结合,有利于提高催化剂活性、稳定性与抗积炭能力。
本文以Mg-Al类水滑石为前驱体制备Ru/Mg(Al)O催化剂,考察Ru含量对催化剂催化活性和稳定性的影响,并用XRD、H2-TPR和CO脉冲吸附等对催化剂进行表征。
1 实验部分
1.1 催化剂制备
采用共沉淀法合成类水滑石化合物[8]
,将定量
的Al(NO3)3·9H2O、Mg(NO3)2·6H2O和RuCl3·nH2O溶于100mL去离子水,不断搅拌下,将混合金属盐溶液逐滴加入到Na2CO3溶液,
并用NaOH溶液(2mol·L-1
)调节沉淀pH≈1
0,滴加完毕后,继续搅拌1h。
将所得悬浊液静置24h,然后抽滤并用去离子水洗涤数次,所得前驱体于100℃烘干一夜,最后于500℃焙烧5h。
将焙烧后的样品进行压片、破碎和过筛,得到(30~60)目催化剂颗粒,标记为
xRu/Mg(Al)O,其中,n(Mg)∶n(Al)=3,x为催化剂中Ru的质量分数(x=1,2,4)。
1.2 催化剂性能评价
CH4-CO2重整反应在常压固定床反应装置上进行。
反应管为内径6m
m的石英管,催化剂[(30~60
)目]装填量50mg,反应温度通过位于催化剂床层出口位置的K型热电偶进行控制。
活性测试前,先用高纯H2对催化剂进行预还原,还原条件为:H2
流量30mL·min-1
,还原温度600℃,时间0.5h。
还原结束后,用N2吹扫催化剂并将温度降至500℃,然后通入原料气进行反应。
原料气组成n(CH4
)∶n(CO2)∶n(N2
)=1∶1∶2,空速60000mL(g·h)-1
,反应温度为(500~800)℃,每个温度测试1h。
反应后的气体组成通过热导池气相色谱(GC-2014,Shimadzu)进行检测,750℃反应30h,评价催化剂的稳定性。
1.3 催化剂表征
X射线粉末衍射采用荷兰Panalytic公司X’PertPro衍射仪进行测定,X’Celerator探测器,CoKα,λ=0.1789nm,工作电流40mA,工作电压40kV,扫描步长为0.0167°,每步10s。
H2-
TPR采用美国美克仪器公司AutoChem2920自动化学吸附仪,样品用量100mg,10%H2-
Ar流速为30mL·min-1,升温速率为10℃·min-1。
CO脉冲吸附采用美国美克仪器公司AutoChem2920自动化学吸附仪,样品用量100mg,先用高纯H2在6
00℃还原,然后在室温下进行CO吸附。
2 结果与讨论
2.1 XRD
图1为Ru/Mg(Al)O催化剂的XRD
图。
图1 Ru/Mg(Al)O催化剂的XRD图
Figure1 XRDpatternsofRu/Mg(Al)Ocatalysts
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2015年第11期 李汝乐等:以类水滑石为前驱体制备Ru基CH4-CO2重整催化剂
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从图1可以看到,合成的催化剂前驱体呈现典型的类水滑石结构,在2θ=13.1°、26.5°、40.2°、45.7°、53.6°、71.7°和73.1°的衍射峰分别对应于类水滑石的(003)、(006)、(012)、(015)、(018)、
(110)和(113)晶面[10]。
前驱体经500℃焙烧后,
类水滑石衍射峰完全消失,说明类水滑石完全分解,在2θ
=50.3°、73.9°和94.9°处出现类MgO的衍射峰,归属于Mg(Al)O固溶体[8]。
在2Ru/Mg(Al)O
和4Ru/Mg(Al)O样品中,还观察到晶相RuO2的衍射峰,其强度随Ru含量的增加而增强,说明Ru含量越高,RuO2颗粒尺寸越大。
在1Ru/Mg(Al)O样品中未观察到晶相RuO2的衍射峰,可能是由于Ru含量较低或RuO2颗粒尺寸较小未达到XRD检测限。
催化剂经600℃还原后,RuO2相消失,同时在2θ
=51.6°和82.8°检测到Ru金属的衍射峰,分别对应于Ru金属的(101)和(110)晶面,表明RuO2被完全还原为金属Ru。
随着Ru含量增加,金属Ru的衍射峰增强,说明Ru含量增加时Ru颗粒变大。
由于Ru(101)衍射峰与载体衍射峰重叠,难以通过谢乐公式计算Ru金属的粒径。
在1Ru/Mg(Al)O催化剂中未检测到Ru金属衍射峰,可能是由于Ru含量较低或Ru金属颗粒较小未能被XRD检测。
2.2 H2-
TPR图2为焙烧后Ru/Mg(Al)O催化剂的H2-TPR谱图。
由图2可以看出,1Ru/Mg(Al)O催化剂在(300~500)℃只出现一个还原峰,说明RuO2
物种的分散较均匀;
2Ru/Mg(Al)O和4Ru/Mg(Al)O催化剂在(150~450)℃出现多个还原峰,表明存在
不同RuO2物种。
根据文献
[11]
,较高温度的还原峰可归属为与载体具有较强相互作用的高分散RuO2物种,而较低温度的还原峰为与载体相互作用较弱的颗粒RuO2物种。
结合XRD图可以推断,1Ru/Mg(Al)O催化剂主要以高分散RuO2形式存在,而2Ru/Mg(Al)O催化剂中可能存在高分散RuO2物种和小颗粒RuO2,4Ru/Mg(Al)O催化剂主要为大颗粒RuO2
物种。
图2 焙烧后Ru/Mg(Al)O催化剂的H2-
TPR图Figure2 H2
TPRprofilesofthecalcinedRu/Mg(Al)Ocatalystsamples
2.3 CO脉冲吸附
CO探针分子已广泛用于测定金属分散度[12-13]。
实验利用CO脉冲吸附测定Ru金属粒子的分散度和颗粒尺寸,结果见表1。
表1 Ru/Mg(Al)O催化剂的物化性能
Table1 PhysicochemicalpropertiesofRu/Mg(Al)Ocatalysts
催化剂Ru含量/μ
mol·g-1CO吸附量/μ
mol·g-1
分散度/%Ru颗粒尺寸/nm
[4]
1Ru/Mg(Al)O98.923.323.53.82Ru/Mg(Al)O197.825.212.77.14Ru/Mg(Al)O
395.6
26.9
6.8
13.2
从表1可以看出,随着催化剂中Ru含量的增加,CO吸附量逐渐增大,说明催化剂表面的Ru活性位数目增加。
根据CO吸附量计算得到Ru金属分散度和Ru颗粒尺寸,随着Ru含量的增加,Ru金属分散度降低,Ru颗粒尺寸增大,与XRD和H2-TPR结果基本一致。
2.4 催化活性和稳定性
在原料气组成n(CH4)∶n(CO2)∶n(N2
)=1∶1∶2和空速60000mL(g·h)-1
条件下,反应温度对
Ru/Mg(Al)O催化剂CH4-CO2重整反应催化活性的影响见图3。
从图3可以看出,CH4和CO2转化率均随反应温度的升高而增大,这是由于CH4-CO2重整反应是强吸热反应,高温有利于反应向生成合成气的方向进行。
考察反应温度内,CO2转化率总是高于CH4转化率,n(H2)∶n(CO)总是小于1,尤其在低温区,这是由于CH4-CO2重整反应中同
时存在逆水煤气反应[5,14]。
通过比较可以发现,随
着Ru含量增加,CH4和CO2转化率均先升高后降
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890 工业催化 2015年第11期
低,当催化剂中Ru质量分数为2%时,CH4和CO2转化率达到最高,说明该催化剂的催化活性最高。
2Ru/Mg(Al)O的活性高于1Ru/Mg(Al)O催化剂
可归因于其具有较高的R
u金属活性位数目,而4Ru/Mg(Al)O的活性低于2Ru/Mg(Al)O催化剂可解释为由于形成了大颗粒Ru
金属。
图3 反应温度对Ru/Mg(Al)O催化剂CH4-CO2重整反应催化活性的影响Figure3 InfluenceofreactiontemperatureoncatalyticactivityofRu/Mg(Al)OcatalystsforCH4 CO2r
eformingreaction 为获得较高的CH4和CO2转化率,CH4-CO2重整反应需要在较高温度进行,选择在反应温度750℃评价Ru/Mg(Al)O催化剂的稳定性。
在空速
60000mL(g·h)-1
和原料气n(CH4)∶n(CO2
)∶n(N2)=1∶1∶2条件下,反应温度对Ru/Mg(Al)O催化剂CH4-CO2重整反应催化活性的影响见图4。
图4 反应时间对Ru/Mg(Al)O催化剂CH4-CO2重整反应催化活性的影响
Figure4 InfluenceofreactiontimeoncatalyticactivityofRu/Mg(Al)OcatalystsforCH4 CO2r
eformingreaction 从图4可以看出,催化剂初始活性顺序为:2Ru/Mg(Al)O>4Ru/Mg(Al)O>1Ru/Mg(Al)O,与图3结果吻合。
值得注意的是,催化剂活性随着反应的进行出现不同程度的下降。
经过30h反应后,2Ru/Mg(Al)O和4Ru/Mg(Al)O催化剂的CH4转化率分别从84%和77%降至79%和70%,可能
是由于Ru晶粒长大所致[15]。
1Ru/Mg(Al)O催化
剂的CH4转化率仅下降3个百分点(67%降到64%),表明具有较好的催化稳定性,这可能源于高分散R
u颗粒与Mg(Al)O载体之间的强相互作用。
3 结 论
以类水滑石为前驱体制得的Ru/Mg(Al)O催化剂对CH4-CO2重整呈现出较高的催化活性,且Ru含量对催化剂活性有一定影响。
随着Ru含量的增加,催化剂活性先升高后降低,当Ru质量分数
为2%时,活性达到最佳。
催化剂稳定性也受Ru含量的影响,
Ru含量较低时,其金属分散度较高且金属-
载体相互作用较强,在反应过程中不易发生烧结,稳定性较好。
Ru含量较高时,Ru金属粒径增大,分散度降低,容易发生烧结而导致催化剂失活。
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