CN110980640B - 一种催化甲烷直接转化制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种催化甲烷直接转化制氢的方法，所述方法包括在微波辐照和催化剂存在下催化甲烷直接转化制氢，所述催化剂为MoO3/TiC催化剂或Mo2C/TiC催化剂。本发明的催化剂能与微波很好的匹配，催化剂表现出良好的升温性能，且催化剂制备过程简单，应用于甲烷直接转化制氢反应中表现出良好的催化性能，不仅甲烷的转化率较高，催化剂的稳定性也很好。本发明中在微波辐照下催化甲烷直接制氢，使反应温度更低，能量消耗更少，甲烷转化率更高，催化剂稳定性更好，且甲烷直接转化理论上可产生的更多的氢气。该反应中没有COx气体产生，减少产物中氢气的分离难度，符合经济观和绿色发展观，具备很好的应用前景。

Description

一种催化甲烷直接转化制氢的方法
技术领域
本发明涉及催化技术领域，尤其涉及一种催化甲烷直接转化制氢的方法。
背景技术
随着非常规天然气开采技术的发展，美国率先爆发了页岩气革命，使得天然气的产量大幅上升，改善了美国的能源结构，减少了美国能源压力。我国非常规天然气的开采虽然起步较晚，但是近几年的发展速度也很快，以涪陵页岩气为代表，在2020年，涪陵页岩气田将新增探明储量1000亿方，产量达到70亿方。这些发展使得人们高度关注天然气的使用。天然气绝大部分都是用于燃烧，燃烧很难完全发挥天然气的价值，因此人们研究天然气的很多其他用途，目的主要是将天然气中的甲烷转换为更加富有价值的其他产物。
甲烷转换主要分为间接转换和直接转换。间接转换是通入水蒸气或者二氧化碳等与甲烷转换为一氧化碳和氢气，再将一氧化碳和氢气转化为乙醇等高附加值的产品，间接转换的缺点是要消耗大量的能量并且工艺复杂。直接转换不需要其他的反应物质，直接将甲烷转换为氢气和烃类等物质，从理论上来讲，甲烷直接转换可以产生更多的氢气，具有潜在的经济效益，没有COx气体产生，减少产物分离的难度。随着燃料电池的发展，不含一氧化碳等酸性气体的氢气需求量越来越大，而甲烷直接转换恰好可以满足要求。除电池行业外，甲烷直接转换产生的氢气，还可以直接用于内燃机的使用。
现有关于甲烷直接转换制氢方面的专利和文章提到的一些典型例子，但仍然有各自的问题与不足之处：
中国专利CN110227462A公开了一种用甲烷直接催化裂解制氢的催化剂及其制备方法，所述的甲烷制氢催化剂以MO/CNFs为载体负载活性组分Ni，其中各组分的重量份为：Ni元素10～50，MOy 5～70，CNFs 2～45；其制备方法为将MOy和经过预处理的CNFs加入镍盐水溶液中，然后加入碱液调节pH值为6～8，搅拌后静置，得到的沉淀物经过滤、洗涤、干燥，即得。此方法催化剂的制备过程复杂，得到的催化剂稳定性能也不是很好，在300min左右催化剂就开始在慢慢失活。
中国专利CN104627960A公开了一种改性赤泥催化甲烷裂解制氢的方法，是用无机酸溶液对赤泥进行浸泡处理，过滤后得到透明滤液，再用碱对滤液进行中和沉淀，对沉淀过滤洗涤干燥后煅烧还原，研磨成粉末，得到一种用于催化甲烷裂解的催化剂。此方法主要缺点是反应温度较高，甲烷转化率较低。
中国专利CN106865498A公开了一种以炭材料为催化剂制备氢气和纤维碳的方法，其特征在于：所述方法以含有甲烷和氢气的混合气为原料，以炭材料为催化剂，于600～1200℃、常压下反应，其中氢气占混合气总流量的1％～90％。此方法的缺点是甲烷转化率低(<10％)。
综上所述，甲烷直接转换制氢主要存在耗能高和催化剂易失活等问题，研究长时间甲烷高转化裂解制氢的方法仍然是一个极具挑战的难题。
发明内容
甲烷是一个高度对称的正四面体结构，其C-H键能达435kJ/mol，将甲烷活化需要大量的能量，一般要在高温条件下(>1000℃)。微波具有加热快，加热均匀等优点，还有大量的研究表明微波加热对一些化学反应具有降低活化能的优点，因而我们将微波应用于甲烷直接转化换制氢的反应中，以减少能量的损耗。
本发明提供一种催化甲烷直接转化制氢的方法，所述方法包括在微波辐照和催化剂存在下催化甲烷直接转化制氢，所述催化剂为MoO3/TiC催化剂或Mo2C/TiC催化剂。
在一种具体的实施方式中，所述MoO3/TiC催化剂的制备方法包括将TiC载体加入到pH值已经调整到2.5～5.5之间的钼酸盐水溶液中，浸渍后经干燥和在惰性气体下焙烧得到，优选加入载体前的钼酸盐水溶液的pH值为3～4；所述Mo2C/TiC催化剂的制备还包括对制得的MoO3/TiC催化剂在微波辐照下通入甲烷处理得到。
在一种具体的实施方式中，所述钼酸盐为钼酸铵或钼酸钠，用柠檬酸或者柠檬酸钠调节钼酸盐水溶液的pH值，且在浸渍前还包括超声步骤。
在一种具体的实施方式中，超声时间为10-80min，优选10～20min，浸渍时间为4-36h，优选10-24h，干燥温度为60-150℃，优选80～90℃，焙烧的惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种，焙烧温度为400-600℃及时间为3-8h，优选焙烧温度为500-550℃及时间为3.5-4.5h，对MoO3/TiC催化剂在微波辐照下通入甲烷处理的微波处理温度为750℃以上，且微波处理时间为0.5-3.5h，优选为1-2h。
在一种具体的实施方式中，所述甲烷直接转化制氢的反应是在常压和无氧的条件下进行，且反应温度为600～800℃，优选为750～800℃。
在一种具体的实施方式中，所述催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为20～80wt％，优选40～80wt％，更优选50～70wt％。
本发明中，所述催化剂制备过程中焙烧得到MoO3/TiC催化剂是在通有惰性气体的管式炉中进行的，以防止TiC被氧化为TiO2。
本发明中，对制得的MoO3/TiC催化剂在微波辐照下通入甲烷处理得到Mo2C/TiC催化剂，还能使得元素Mo能够更好地与TiC载体结合。
本发明至少具备如下有益效果：本发明通过浸渍法制备一种Mo基催化剂，载体是TiC，该催化剂能与微波很好的匹配，催化剂表现出良好的升温性能，且催化剂制备过程简单，应用于甲烷直接转化制氢反应中表现出良好的催化性能，不仅甲烷的转化率较高，催化剂的稳定性也很好。本发明中在微波辐照下催化甲烷直接制氢，使反应温度更低，能量消耗更少，甲烷转化率更高，催化剂稳定性更好，且甲烷直接转化理论上可产生的更多的氢气。该反应中没有COx气体产生，减少产物中氢气的分离难度，符合经济观和绿色发展观，具备很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例4制备的50％MoO3/TiC催化剂催化甲烷随时间变化的转化率和氢气含量图。其中在上的线条为反应后氢气的含量，在下的线条为甲烷的转化率。
图2实施例4中使用的50％MoO3/TiC催化剂在反应前和反应570min后的XRD图。其中在下的线条为MoO3/TiC催化剂参与催化反应之前的XRD谱线，其中在上的线条为催化剂参与催化反应之后的XRD谱线。
具体实施方式
本发明通过如下实施例和附图进行进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于下述实施例。
实施例1
称取一定质量的(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于20mL去离子水中，加入质量分数为10wt％的柠檬酸调节pH到3.7，加入2.000g的TiC载体到上述溶液中，搅拌均匀，放入超声中进行分散，十分钟后取出，在室温条件下浸渍24h，放入80℃烘箱中干燥12h。将所得的固体物质放入坩埚中在管式炉里进行焙烧，500℃下通入氮气进行保护焙烧4h，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为20wt％的催化剂，记为20％MoO3/TiC。将得到的MoO3/TiC催化剂放入微波反应器中通入氮气升温至800℃，再通入甲烷处理1.5h，冷却至室温，再将得到的MoO3/TiC催化剂和/或Mo2C/TiC催化剂进行甲烷直接转换反应。
实施例2
同实施例1，不同的是(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量不同，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为30wt％的催化剂，记为30％MoO3/TiC。
实施例3
同实施例1，不同的是(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量不同，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为40wt％的催化剂，记为40％MoO3/TiC。
实施例4
同实施例1，不同的是(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量不同，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为50wt％的催化剂，记为50％MoO3/TiC。
实施例5
同实施例1，不同的是(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量不同，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为60wt％的催化剂，记为60％MoO3/TiC。
实施例6
同实施例1，不同的是(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量不同，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为70wt％的催化剂，记为70％MoO3/TiC。
实施例7
同实施例1，不同的是(NH4)6Mo7O24·4H2O的质量不同，得到催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为80wt％的催化剂，记为80％MoO3/TiC。
催化剂反应评价
所有反应实例均在长仪微波反应装置上进行，该装置仅以微波源作为加热方式，微波输出功率在0-1350W范围内可任意调节，配备有气体流量计，可在0-250mL/min范围内调节，产物分析是采取手动进样的方式，用气体进样针抽取反应器尾气，打入1mL的样品进色谱中分析。产物分析的色谱是Agilent 7890A气相色谱，配备有TCD检测器，TCD检测器上连接的是Porapak-Q填充柱，使用氮气作为载气。采用外标法分析尾气中甲烷和氢气的含量，并计算甲烷转化率。其公式为：
Figure BDA0002351505930000041
其中XCH4表示甲烷的转化率；(CH4)out表示尾气出口中甲烷的含量；(H2)out表示尾气出口中氢气的含量。
打开微波反应器前，先通入50mL/min的N2约30min，排除反应管中的空气，使反应在无氧的状态下进行，打开微波反应器，调节适当功率，使催化剂床层(催化剂质量为2g)达到所需的反应温度，通入50mL/min的反应气体甲烷(除特殊说明之外，CH4为99.99％的纯气体)，甲烷转化率和尾气中氢气的含量如下表所示。
实施例1-7中的MoO3/TiC催化剂在进行甲烷直接转换制氢之前，都先放入微波反应装置中，在800℃下通入甲烷处理1.5h，关掉甲烷和微波，冷却至室温，再催化反应。
表1
Figure BDA0002351505930000051
Figure BDA0002351505930000061
本发明通过浸渍法制备一种Mo基催化剂，载体是TiC，该催化剂能与微波很好的匹配，催化剂表现出良好的升温性能，且催化剂制备过程简单，将其应用于甲烷直接转化制氢反应中表现出良好的催化性能，不仅甲烷的转化率较高，催化剂的稳定性也很好，催化剂能够稳定使用500min左右。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种催化甲烷直接转化制氢的方法，所述方法包括在微波辐照和催化剂存在下催化甲烷直接转化制氢，所述催化剂为MoO3/TiC催化剂或Mo2C/TiC催化剂；所述MoO3/TiC催化剂的制备方法包括将TiC载体加入到pH值已经调整到2.5~5.5之间的钼酸盐水溶液中，浸渍后经干燥和在惰性气体下焙烧得到；所述Mo2C/TiC催化剂的制备还包括对制得的MoO3/TiC催化剂在微波辐照下通入甲烷处理得到；所述甲烷直接转化制氢的反应是在常压和无氧的条件下进行，且反应温度为600~800℃；所述催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为20~80wt%。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述MoO3/TiC催化剂的制备方法中，加入载体前的钼酸盐水溶液的pH值为3~4。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述钼酸盐为钼酸铵或钼酸钠，用柠檬酸或者柠檬酸钠调节钼酸盐水溶液的pH值，且在浸渍前还包括超声步骤。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，超声时间为10-80 min，浸渍时间为4-36 h，干燥温度为60-150℃，焙烧的惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种，焙烧温度为400-600℃及时间为3-8 h，对MoO3/TiC催化剂在微波辐照下通入甲烷处理的微波处理温度为750℃以上，且微波处理时间为0.5-3.5 h。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，超声时间为10~20min，浸渍时间为10-24h，干燥温度为80~90℃，焙烧温度为500-550℃及时间为3.5-4.5 h，对MoO3/TiC催化剂在微波辐照下通入甲烷处理的微波处理时间为1-2 h。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述甲烷直接转化制氢的反应温度为750~800℃。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为40~80wt%。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述催化剂中Mo元素与载体TiC相比的重量含量为50~70wt%。
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