[發(fā)明專利]一種催化劑Ni/Zr-MCM-41及其制備方法和等離子體催化應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310436700.4
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116637646A
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐忠寧;郭國聰;李鵬瑞;刁劍鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號: B01J29/03
• 分類號: B01J29/03;B01J19/08;B01J37/00;B01J35/00;C01B3/40
• 代理公司: 北京元周律知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11540
• 代理人: 李博

本發(fā)明公開了一種催化劑Ni/Zr?MCM?41及其制備方法和等離子體催化應(yīng)用，屬于化工材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述催化劑Ni/Zr?MCM?41包括載體和活性組分；所述載體包括Zr?MCM?41；所述活性組分包括金屬鎳元素；所述金屬鎳元素以層狀硅酸鎳形式分布于所述Zr?MCM?41的內(nèi)外表面。本發(fā)明的Ni/Zr?MCM?41催化劑，用于等離子體促進(jìn)的COsubgt;2/subgt;和CHsubgt;4/subgt;干重整反應(yīng)，獲得合成氣，實(shí)現(xiàn)COsubgt;2/subgt;減排和再利用；該催化劑兼具優(yōu)異的催化活性、高穩(wěn)定性、耐燒結(jié)性、抗積碳性能，COsubgt;2/subgt;和CHsubgt;4/subgt;轉(zhuǎn)化率在50小時內(nèi)沒有明顯的失活現(xiàn)象。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種催化劑Ni/Zr-MCM-41及其制備方法和等離子體催化應(yīng)用。

背景技術(shù)

二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)是主要的“溫室效應(yīng)氣體”。近幾十年來，隨著大氣中CO₂濃度的迅速升高，導(dǎo)致了一系列的環(huán)境問題，如氣候變化、海洋酸化、冰川融化、全球變暖等。由于解決該環(huán)境問題和減少溫室氣體排放的迫切需要，CO₂和CH₄干重整反應(yīng)(DRM)作為一種很有前途的技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。干重整反應(yīng)產(chǎn)生的合成氣是費(fèi)托合成以及其它化工反應(yīng)的重要原料。

由于干重整反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)熱催化干重整反應(yīng)需要700℃以上的高溫。從工業(yè)應(yīng)用的角度，高溫會造成能耗大、成本高、設(shè)備損耗等一系列問題。因此，高溫反應(yīng)條件是阻礙CO₂和CH₄干重整反應(yīng)進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用的一個重要因素。

介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體由于其獨(dú)特的非平衡特性，為傳統(tǒng)的熱催化反應(yīng)提供了一種很有前途的替代方法。與傳統(tǒng)的熱催化過程相比，DBD反應(yīng)器能夠在環(huán)境溫度、常壓條件下產(chǎn)生一系列高能電子，與氣體分子解離的帶電粒子和自由基發(fā)生非彈性碰撞，從根本上改變催化反應(yīng)過程，并在低溫下引發(fā)熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，無需額外的熱輸入。因此，DBD等離子體可作為一種變革型技術(shù)降低DRM反應(yīng)溫度。

DRM反應(yīng)除了高吸熱性外，阻礙其發(fā)展的另一個主要挑戰(zhàn)是缺乏穩(wěn)定性好、抗積碳能力強(qiáng)的催化劑。開發(fā)具有高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性、低成本的催化劑是活化轉(zhuǎn)化惰性分子CO₂和CH₄的關(guān)鍵。人們研究了貴金屬(Ru、Rh、Pd和Pt)，貴金屬催化劑在干重整反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的催化性能，但由于貴金屬儲量低和價格昂貴，不適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用；且高溫會加劇多種副反應(yīng)的發(fā)生，如CH₄分解反應(yīng)、CO歧化反應(yīng)等，從而生成大量積碳覆蓋在活性金屬表面，堵塞反應(yīng)器，不利于DRM反應(yīng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，開發(fā)具有明確結(jié)構(gòu)的新型催化劑，獲得兼具優(yōu)異催化性能和抗積碳性能的長期催化穩(wěn)定性的催化劑，對推動CO₂和CH₄干重整反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種催化劑Ni/Zr-MCM-41及其制備方法和等離子體催化應(yīng)用，主要目的是解決Ni基負(fù)載型催化劑在高溫反應(yīng)中不穩(wěn)定、易燒結(jié)和因積碳而失活的技術(shù)問題。

一方面，本發(fā)明提供了一種催化劑Ni/Zr-MCM-41，所述催化劑包括載體和活性組分；所述載體包括Zr-MCM-41；所述活性組分包括金屬鎳元素；所述金屬鎳元素以層狀硅酸鎳形式分布于所述Zr-MCM-41的內(nèi)外表面。

可選地，Zr以Zr⁴⁺的形式和所述層狀硅酸鎳中的Ni²⁺相互錨定。

可選地，所述載體Zr-MCM-41中，Zr以Zr⁴⁺的形式插入MCM-41的SiO₂框架中。

可選地，所述載體Zr-MCM-41為經(jīng)Zr改性后的介孔分子篩MCM-41。