CN110479280B - 一种CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CO低温选择性甲烷化Ni‑ZrO2/NiAl2O4催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以Ni为活性组分，ZrO2为助剂，富镍型NiAl2O4为载体的金属负载型催化剂。以采用溶胶凝胶法制备的富镍型NiAl2O4为载体，通过共浸渍法在富镍型NiAl2O4载体表面负载活性组分Ni和助剂ZrO2，进而调变活性组分Ni与载体NiAl2O4的相互作用，显著降低CO选择性甲烷化反应的温度。本发明所述催化剂制备方法简单，能够在较低的温度（190~240°C）下将富氢重整气中的CO深度去除至10ppm以下，并保持CO甲烷化反应的选择性高于50%。本发明催化剂可应用于富氢气体中微量CO的深度脱除。

Description

一种CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于多相催化领域，具体涉及一种CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有效率高、污染小、工作温度低、启动快、功率密度高等优点，已成为取代汽油内燃机汽车最有竞争力的动力源之一。氢气作为PEMFC系统的燃料，其主要来自于甲醇或者天然气的重整反应，因燃料电池的Pt电极对CO极为敏感，微量的CO即能使其中毒而降低电池性能，因此使用前必须将富氢气体中少量的CO深度除去（控制其浓度在10ppm以下）。目前，脱除富氢气体中少量CO的化学方法主要有CO优先氧化法和CO选择性甲烷化法，与CO优先氧化法相比，CO选择性甲烷化无需添加额外反应物，可直接利用原料H2与CO反应生成对PEMFC无害的甲烷，是目前深度去除CO最有效的方法之一。
甲烷化反应催化剂多为固体负载型催化剂，主要有贵金属Ru基和非贵金属Ni基催化剂，金属Ru由于价格昂贵且资源有限，限制了其工业化应用，而Ni基催化剂价格低廉，且其CO甲烷化活性与Ru基催化剂相当，是应用最广泛的非贵金属甲烷化催化剂。Ni基催化剂反应温度偏高（300℃以上），而富氢重整气中含有大量的CO2（15~20vol%），因此在较高的反应温度下，反应体系中CO2竞争甲烷化以及逆水煤气变换反应会造成有效燃料H2的浪费，使得CO甲烷化选择性显著下降。因此，研发一种低温、高选择性的CO甲烷化催化剂成为当务之急。
目前，CO甲烷化反应中应用最广泛的为镍铝催化剂，以Al2O3为载体，以Ni为活性组分，由于其价格低廉、性能优异，受到很多研究者的青睐。Dacheng Hu等将20wt％的NiO负载在商业Al2O3上，加入2-4wt％的MgO作为助剂，通过形成NiMg(Al)O，来提高Ni与载体的相互作用，进而在还原后获得更小的活性组分Ni颗粒，该催化剂可在宽范围的反应温度（300-550℃）内实现100％的CO转化率，并且CH4选择性随温度升高而增加，在350℃时达到96.5％（参见Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(13):4875-4886.）。Qing Liu等通过共浸渍法制备Ni-V2O3/Al2O3催化剂，通过添加助剂V2O3形成Ni3V2O8相，促进更小的Ni颗粒的形成，极大程度提高了Ni-V2O3/Al2O3催化剂热稳定性和抗积碳性能（参见Applied Catalysis A: General, 2014, 488:37-47.）。然而，镍铝催化剂存在易积碳、活性组分易烧结、高温时易形成难以还原的镍铝尖晶石（NiAl2O4）等问题，为了克服上述问题，研究人员将镍铝尖晶石NiAl2O4作为载体。Xiaoliang Yan等利用Al基MOF，MIL-53(Al)作模板，在900℃煅烧时制备高比表面积NiAl2O4载体，其制备的Ni/NiAl2O4催化剂在350℃下使CO转化率高达99.8%，CH4选择性高达58%（参见Catalysis Science & Technology, 2018:10.1039）。由于NiAl2O4作载体，材料表面仅有少量酸性位，可以解决传统镍铝催化剂因Al2O3过多的酸性位而易积碳的问题，同时NiAl2O4与活性组分Ni的较强的相互作用使得Ni在催化剂表面高度分散且不易聚集（参见Journal of Catalysis, 1996, 159(2):313-322.）。然而现有的Ni/NiAl2O4催化剂甲烷化温度偏高（>300℃），CO甲烷化选择性低下，不利于其工业应用。
ZrO2具有氧化还原性，是酸碱性的两性氧化物，在催化领域ZrO2有广泛的应用，作为助催化剂可对主催化剂产生各种调控效应，已有的研究表明，ZrO2作为助催化剂可以明显改变活性组分与载体之间的相互作用力、表面酸性及活性组分的分散度等。YingyingZhan等通过共浸渍法在Ni/Al2O3催化剂掺杂ZrO2助剂，有助于γ-(Al,Zr)2O3固溶体的形成以及高度分散、小粒径的Ni颗粒，与未掺杂的Ni/Al2O3催化剂相比，可以显著提升CO2甲烷化性能。同时Zr4+可以融入γ-Al2O3形成无定形γ-(Al,Zr)2O3，削弱NiO-Al2O3的相互作用，导致不易形成NiAl2O4尖晶石（参见Applied Surface Science 459 (2018) 74–79）。
目前，从现有报道来看，尚未出现在富镍型NiAl2O4载体上进一步负载活性组分Ni并通过ZrO2助剂对该催化剂进行改性处理以制备低温型Ni基催化剂的报道。
发明内容
本发明为了解决传统Ni/Al2O3甲烷化催化剂易积碳、活性组分分散性差、高温下易形成难以还原的NiAl2O4尖晶石的问题，以及Ni/NiAl2O4催化剂反应温度较高的缺陷，提供了一种CO低温型选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂及其制备方法和应用。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂，所述催化剂是以Ni为活性组分、ZrO2为助剂和富镍型NiAl2O4为载体的金属负载型催化剂。
进一步的，所述富镍型NiAl2O4中Ni和Al的摩尔比大于NiAl2O4化学计量比，为0.5~0.8：1，优选为0.65：1。
进一步的，Ni的负载量为10wt%~20wt%，优选为15wt%，Zr与Al的摩尔比为0.05~0.15:1，优选为0.05:1。
进一步的，活性组分Ni包括富镍型NiAl2O4中的Ni和浸渍负载在富镍型NiAl2O4载体上的Ni。
所述CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备
将Ni(NO3)2、Al(NO3)3和无水乙醇混合，然后再加入环氧丙烷，得到的溶胶置于油浴中进行凝胶化，之后将得到的凝胶置于室温下老化，然后烘干、研磨，在空气氛围下焙烧，所得到的粉末即为多孔结构的富镍型NiAl2O4载体；
（2）Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂的制备
将所述多孔结构的富镍型NiAl2O4载体浸渍到Ni(NO3)2和ZrOCl2的无水乙醇溶液中，并室温下搅拌然后蒸干，经干燥、焙烧、还原，得到所述Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂。
进一步的，所述步骤（2）中，焙烧是在空气气氛下焙烧，焙烧的温度为350~450℃，焙烧的时间为2~4 h。优选焙烧温度为400℃，焙烧时间为3h。
进一步的，所述步骤（2）中，所述还原温度为450~550℃，还原时间为3~5h。优选还原温度为500℃，还原时间为4h。
所述催化剂在富氢气体中微量CO的深度脱除中应用，所述催化剂适用于所含CO浓度为0.5~2vol%的富氢气体。
进一步的，催化反应时的反应温度为190~240℃。
本发明中，以采用溶胶凝胶法制备的富镍型NiAl2O4为载体，通过共浸渍法在富镍型NiAl2O4载体表面负载活性组分Ni和助剂ZrO2，进而调变活性组分Ni与载体NiAl2O4之间的相互作用，显著降低CO选择性甲烷化反应的温度，而且富镍型NiAl2O4载体中的Ni也具有一定的催化活性。环氧丙烷作为凝胶剂和造孔剂，通过改变Al盐和Ni盐的量调控Ni/Al摩尔比；利用NiAl2O4载体表面酸性位明显减少，来显著降低积碳反应。通过添加ZrO2助剂，调变活性组分Ni与载体NiAl2O4之间的相互作用，提高活性组分Ni的分散度，进而提升催化剂的活性和稳定性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂不仅高效廉价，而且具有优异的CO低温甲烷化活性，能够在较低的反应温度范围内（190~240℃）将重整气中的CO浓度降至10ppm以下，且选择性高于50%，可应用于质子交换膜燃料电池富氢原料气的深度净化，以满足燃料电池电动汽车对高品质氢源的需求；
（2）本发明CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂可以解决传统Ni/Al2O3催化剂易积碳、活性组分Ni易烧结、活性组分Ni分散性差和高温下易形成镍铝尖晶石等问题，利用NiAl2O4载体表面酸性位明显减少，来显著降低积碳反应；
（3）本发明选用的富镍型NiAl2O4载体中部分NiO可以被还原成活性组分Ni，作为CO甲烷化反应的活性位；
（4）本发明通过添加适量的ZrO2助剂，改变活性组分Ni与载体NiAl2O4之间的相互作用，提高活性组分Ni的分散度，提高了Ni /NiAl2O4催化剂的低温活性；
（5）本发明所述Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂采用溶胶凝胶和共浸渍两步法制备，制备方法简单、易于操作和推广。
附图说明
图1为实施例1-3所制得NiAl2O4载体的XRD图；
图2a和图2b为实施例1-3制备的催化剂对CO甲烷化反应活性图；
图3a和图3b为实施例4、实施例5、实施例2、实施例6制备催化剂的CO甲烷化反应活性图；
图4a和图4b为实施例7、实施例2、实施例8制备催化剂的CO甲烷化反应活性图；
图5a和图5b为对比例1中制备的催化剂的CO甲烷化反应活性图。
具体实施方式
实施例中催化剂性能测试：取实施例制备的催化剂，压片，过筛，选取40-60目的催化剂0.1 g，装入内径为6 mm的石英反应管中，以空速3600 h-1通入含79vol% H2、20vol% CO2、1vol% CO的混合气，在反应温度150~340°C区间，测试催化剂对富氢气体中CO的选择性甲烷化活性和选择性，反应产物经干燥后由气相色谱在线检测。
实施例1
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备：取10mmolNi(NO3)2·6H2O和20mmol Al(NO3)3·9H2O于烧杯中，加入40ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，得到硝酸镍和硝酸铝的混合溶液，逐滴滴加26ml环氧丙烷于上述混合溶液中，之后将溶液置于50℃的油浴锅静置10min进行凝胶化，并于室温下老化12h，将上述凝胶80℃干燥12h，110℃干燥12h，研磨，在空气气氛下700℃焙烧3h（2°C·min-1），所得的粉末即为催化剂载体NiAl2O4。此时载体中Ni与Al的摩尔比为0.5。
制备的Ni与Al的摩尔比为0.5的NiAl2O4的XRD图如图1所示，从图中可以看出，制备的载体出现明显的NiAl2O4特征衍射峰，无NiO特征峰。
（2）取0.223 g Ni(NO3)2·6H2O和0.055g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为15wt%，Zr/Al摩尔比为0.05。
催化剂性能测试结果表明（见图2a和2b）：本实例制备的催化剂在200~260°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
实施例2
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备：取13mmolNi(NO3)2·6H2O和20mmol Al(NO3)3·9H2O于烧杯中，加入44ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，得到硝酸镍和硝酸铝的混合溶液，逐滴滴加29ml环氧丙烷于上述混合溶液中，之后将溶液置于50℃的油浴锅静置10min进行凝胶化，并于室温下老化12h，将上述凝胶80℃干燥12h，110℃干燥12h，研磨，在空气气氛下700℃焙烧3h（2°C·min-1），所得的粉末即为催化剂载体NiAl2O4。此时载体中Ni与Al的摩尔比为0.65。
制备的Ni与Al的摩尔比为0.65的NiAl2O4的XRD图如图1所示，从图中可以看出，制备的载体出现了微弱NiO特征峰，并且NiAl2O4特征峰向低角度偏移，可能是因为多余的Ni2+进入NiAl2O4的晶格，造成其晶格膨胀，故而其特征向低角度偏移。此时制备的载体以NiAl2O4相为主，出现少量NiO相，属于富镍NiAl2O4。
（2）取0.223 g Ni(NO3)2·6H2O和0.055g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为15wt%，Zr/Al比为0.05，标记为15Ni-0.05Zr/NiAl2O4。
催化剂性能测试结果表明（见图2a和2b）：本实例制备的催化剂在190~240°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
实施例3
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备：取16mmolNi(NO3)2·6H2O和20mmol Al(NO3)3·9H2O于烧杯中，加入48ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，得到硝酸镍和硝酸铝的混合溶液，逐滴滴加32ml环氧丙烷于上述混合溶液中，之后将溶液置于50℃的油浴锅静置10min进行凝胶化，并于室温下老化12h，将上述凝胶80℃干燥12h，110℃干燥12h，研磨，在空气气氛下700℃焙烧3h（2°C·min-1），所得的粉末即为催化剂载体NiAl2O4。此时载体中Ni与Al的摩尔比为0.8。
制备的Ni与Al的摩尔比为0.8的NiAl2O4的XRD图如图1所示，从图中可以看出，制备的载体出现了明显的NiO特征峰，NiAl2O4特征峰向低角度偏移的更大，说明此时有更多的Ni2+进入了NiAl2O4的晶格，使其晶格膨胀的更多。
（2）取0.223 g Ni(NO3)2·6H2O和0.055g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为15wt%，Zr/Al比为0.05。
催化剂性能测试结果表明（见图2a和2b）：本实例制备的催化剂在200~240°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
实施例4
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备，同实施例2。
（2）取0.055g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12 h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为0，Zr/Al比为0.05，标记为0.05Zr/NiAl2O4。
催化剂性能测试结果表明（见图3a和3b）：本实例制备的催化剂在240~260°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。从活性测试图中可以看出，即使载体上不另外负载活性组分Ni，经过ZrO2改性处理的富镍型NiAl2O4载体在还原之后也具有一定催化活性。
实施例5
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备，同实施例2。
（2）取0.15g Ni(NO3)2·6H2O和0.055g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为10wt%，Zr/Al比为0.05，标记为10Ni-0.05Zr/NiAl2O4。
催化剂性能测试结果表明（见图3a和3b）：本实例制备的催化剂在200~250°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
实施例6
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备，同实施例2。
（2）取0.3 g Ni(NO3)2·6H2O和0.055g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为20wt%，Zr/Al比为0.05，标记为20Ni-0.05Zr/NiAl2O4。
催化剂性能测试结果表明（见图3a和3b）：本实例制备的催化剂在200~250°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
实施例7
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备，同实施例2。
（2）取0.223 g Ni(NO3)2·6H2O和0.11g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为15wt%，Zr/Al比为0.1，标记为15Ni-0.1Zr/NiAl2O4。
催化剂性能测试结果表明（见图4a和4b）：本实例制备的催化剂在200~260°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
实施例8
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备，同实施例2。
（2）取0.223 g Ni(NO3)2·6H2O和0.165g ZrOCl2·8H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni-ZrO2/NiAl2O4。Ni的负载量为15wt%，Zr/Al比为0.15，标记为15Ni-0.15Zr/NiAl2O4。
催化剂性能测试结果表明（见图3a和3b）：本实例制备的催化剂在200~260°C温度范围内，可使出口气中CO浓度降至10 ppm以下，同时保持CH4浓度低于2%，即选择性大于50%。
对比例1
（1）富镍型NiAl2O4载体的制备，同实施例2。
（2）取0.223 g Ni(NO3)2·6H2O于烧杯中，加入10ml无水乙醇，搅拌至完全溶解，将0.3 g步骤（1）制得的NiAl2O4载体浸渍于上述溶液，室温下搅拌12 h，80°C油浴蒸干，110°C干燥12 h，然后于400°C的马弗炉中焙烧3 h，在含H2 30vol%的H2和N2混合气体气氛下500°C还原4h后，即得所述催化剂Ni/NiAl2O4。Ni的负载量为15wt%，标记为15Ni/NiAl2O4。
本对比例制备催化剂的CO和CH4出口浓度随温度变化曲线如图5a、5b所示，在活性测试温度范围内催化剂未能将富氢气体中的CO浓度降至10 ppm以下，达不到高品质氢源的要求。
以上所述，仅是本发明实施例的较佳实施例而已，并非对本发明实施例作任何形式上的限制，依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明实施例技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂，其特征在于，所述催化剂用于含有CO浓度为0.5～2vol％的富氢气体中CO的深度脱除，在低反应温度190～240℃范围条件下将重整气中的CO浓度降至10ppm以下，且选择性高于50%；
所述催化剂是以Ni为活性组分，ZrO2为助剂和富镍型NiAl2O4为载体的金属负载型催化剂，所述催化剂由以下步骤制备而成：
(1)富镍型NiAl2O4载体的制备
将Ni(NO3)2、Al(NO3)3和无水乙醇混合，然后再加入环氧丙烷，得到的溶胶置于油浴中进行凝胶化，之后将得到的凝胶置于室温下老化，然后烘干、研磨，在空气氛围下焙烧，所得到的粉末即为多孔结构的富镍型NiAl2O4载体；所述富镍型NiAl2O4中Ni和Al的摩尔比为0.5～0.8：1；所述富镍型NiAl2O4载体中部分NiO被还原成活性组分Ni，作为CO甲烷化反应的活性位；
(2)Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂的制备
将所述多孔结构的富镍型NiAl2O4载体浸渍到Ni(NO3)2和ZrOCl2的无水乙醇溶液中，室温下搅拌，然后蒸干，经干燥、焙烧和还原，得到所述Ni-ZrO2/NiAl2O4
催化剂，活性组分Ni包括富镍型NiAl2O4中的Ni和浸渍负载在富镍型NiAl2O4载体上的Ni，Ni的负载量为10wt％～20wt％，Zr与Al的摩尔比为0.05～0.15:1。
2.根据权利要求1所述的CO低温选择性甲烷化Ni-ZrO2/NiAl2O4催化剂，其特征在于，所述步骤(2)中，焙烧的温度为350～450℃，焙烧的时间为2～4h；还原温度为450～550℃，还原时间为3～5h。
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