一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法
【专利摘要】一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法，该催化剂是采用反相微乳液法制备的多核Ni@SiO2核壳材料。该催化剂是通过大量实验探索，经过低温搅拌反应、离心、真空干燥、高温焙烧、10%H2?Ar还原制得的。该方法制备的镍的质量分数为5%的多核Ni@SiO2催化剂，在常压下、反应气组成为CH4:CO2=1:1，空速为1,8000 ml.gcat?1.h?1,反应温度为800 ℃的反应条件下，表现出高活性、高稳定性、优异的抗积碳和抗烧结性能。本发明具有制备工艺简单、对环境无二次污染、成本低、催化效率高等优点。
【专利说明】
一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种多核核壳结构镍基甲烷干气重整催化剂的制备方法，属于纳米催化剂制备工艺和环境保护技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着石油等不可再生化石能源的日益枯竭和环境问题的日益严重，天然气的开发和利用受到越来越多的关注。天然气是当今世界主要化石能源之一，其储量丰富，在所有化石燃料中它是一种高效、优质、清洁的能源。天然气的主要成分是甲烷，目前世界上对于甲烷的利用主要有三种途径:直接燃烧、直接转化以及间接转化。直接燃烧法经济效益低且不完全燃烧产物可能对环境产生二次污染;直接转化法主要是通过甲烷氧化偶联制乙烯和甲烷部分氧化制甲醇和甲醛等，该方法虽具有一定的运用前景，但是工艺条件较难控制，目标产物产率低，限制了其大规模生产；与上述两种方法相比，间接法通过甲烷重整反应将甲烷转化成热值更高的氢气或合成气，可直接作为燃料或作为工业原料合成其它重要化工产品，且甲烷重整反应工艺条件可控，是目前甲烷工业运用的主要途径之一。与甲烷水蒸气重整、甲烷部分氧化等甲烷重整反应相比，甲烷干气重整反应可以同时消耗甲烷和二氧化碳两种温室气体，生成H2: CO为1:1的合成气，可直接用于费托合成等反应，被认为是具有很好工业运用前景的重整反应。
[0003]甲烷干气重整反应常见的催化剂有Pt、Rh、Ru等贵金属催化剂，Co，Ni等过渡金属催化剂。贵金属催化剂虽然具有较好的催化活性和稳定性，但其资源有限且价格昂贵，不利于大规模的工业生产。Ni基催化剂因为价格相对便宜、初始活性高成为甲烷干气重整制氢的理想催化剂，但高温重整过程中Ni颗粒易聚集、积碳导致催化剂的快速失活，这也是限制其工业应用的主要瓶颈，所以如何提高催化剂的抗积炭性能和抗烧结性能是甲烷干气重整反应亟待解决的关键问题。
[0004]相关文献报道表明:镍颗粒尺寸对镍基催化剂抗积碳性能有非常重要的影响。理论研究证明:当镍颗粒小于一定尺寸时，能抑制碳纤维的成核和生长，从而达到抗积碳的目的。为了解决镍颗粒聚集的问题，不少科员工作者付出了大量的努力。例如:往负载型镍基催化剂添加另一种金属制备双金属或合金催化剂;添加碱金属或碱土金属改性镍基催化剂载体性能；制备钙钛矿，尖晶石或固溶体等具有特定结构的镍基催化剂;选择CeO2等具有较强储氧能力和氧流动性的载体或以其为助剂制备的镍基催化剂，这些方法都能提高镍颗粒的分散度和提高催化剂的活性和抗积碳性能。近年来，将活性组分包裹在具有一定孔道的无机物内制备的核壳结构催化剂在抑制活性组分烧结方面表现出很好的运用前景。目前研究较多的是以S12做外包覆物，因其具有较好的高温热稳定性，在甲烷干气重整等高温反应中也可以保持很好的结构稳定性，进而能够有效抑制活性组分镍颗粒聚集，提高其活性和抗烧结性能。同时核壳结构的物理限域效应还能够抑制积碳的生成，从而提高催化剂的抗积碳性能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术不足提供一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法。
[0006]该催化剂中镍颗粒较小，且很好的包裹在耐高温S12壳层内，在高温反应下能够有效的抑制镍颗粒的迀移和聚集。采用该方法制备的镍的质量分数为5%的N1S12催化剂，在常压下、反应气组成为CH4: CO2=1:1，空速为I，8000 ml.gcat—1.h—1，反应温度为800°C的反应条件下，表现出高活性、高稳定性、很强的抗积碳和抗烧结性能。与其它制备N1S12方法相比，本发明公开的方法更加简单易行。
[0007]本发明所述催化剂制备方法，包含以下步骤:
1)称取六水合硝酸镍前驱体盐，将其溶于蒸馏水配成溶液，该溶液中Ni2+浓度为
0.0536 mol/L?0.937 mol/L；
2)将聚乙二醇单-4-壬苯醚溶于环己烷中，往该溶液中加入2.16ml由步骤I)所配置的硝酸镍水溶液，30 °C下搅拌15 h，然后往溶液中加入2.16 ml浓氨水继续搅拌2 h，再加入2.5 ml正硅酸四乙酯，继续搅拌2天；
3)往步骤2)所得溶液中加入16ml乙醇，在10000 rp/min转速下离心15 min收集产物，再用丙酮和环己烷体积比为1:1的混合溶剂洗涤；
4)将步骤3)所得产物在40°C下真空干燥12 h;
5)将步骤4)所得粉末研磨，在空气气氛下以I?2°C/min升温速率，在600 °C?800 °(:焙烧4 h，得多核N10S12核壳材料；
6)将步骤5)制得的多核N10S12核壳材料在流速为60ml/min，体积百分数为10%H2-Ar的混合气氛围中，800°C条件下，在固定床反应器中原位还原2h，得到Ni@Si02核壳结构催化剂，用于甲烷干气重整反应；
所述制备方法是采用反向微乳液法直接制得核壳结构多核Ni0@Si02。
[0008]以硝酸镍水溶液为镍的前驱体直接制得多核核壳结构N10S12,避免了先制备N1纳米颗粒，再包裹S12壳层这种分步法的复杂制备过程。
[0009]所制得的多核N1S12核壳结构催化剂外包覆物为S12。
[0010]所制得的多核N1S12核壳结构催化剂中每个硅球中包含多个N1纳米颗粒。
[0011]所制得的多核N1S12核壳结构催化剂中每个硅球中包含单个或多个Ni纳米颗粒。
[0012]采用该方法制备的镍的质量分数为5%的多核N1S12催化剂，镍颗粒尺寸在I?7.5 nm，平均镍颗粒尺寸小于5 nm，催化剂在甲烷干气重整中表现出优良的活性和抗积碳性能。
[0013]与现有技术相比，本发明制备的催化剂具有如下优点:
(I)本发明制备过程简单易行，设备要求低、溶剂可回收、对环境无二次污染。
[0014](2)本发明以硝酸镍水溶液为镍的前驱体采用反相微乳液法直接制得核壳结构Ni0@Si02，避免了先制备N1纳米颗粒，再包裹Si02壳层这种分步法的复杂制备过程。
[0015](3)本发明制备的镍的质量分数为5%的N1S12催化剂，镍颗粒尺寸在I?7.5 nm,平均镍颗粒尺寸小于5 nm，加上核壳结构的物理限域效应，能很好的抑制积碳的生成，8 O O°c稳定性测试中，甲烷和二氧化碳转化率非常接近，甲烷裂解和逆水煤气反应等副反应得到很好抑制，使催化剂在甲烷干气重整反应中保持高活性和很强的积碳性能。
【附图说明】
[0016]图1为本发明方法制备的镍的质量分数为5%的多核N10S12样品(原位还原处理前)的透射电镜照片；
图2为本发明制备的镍的质量分数为5%的多核N1S12催化剂(原位还原处理后)的透射电镜照片；
图3(A)为发明制备的镍的质量分数为5%的N1S12催化剂稳定性测试结果的甲烷转化率；
图3 (B)为本发明制备的镍的质量分数为5%的N1S12催化剂稳定性测试结果的C02转化率；
图4为本发明制备的镍的质量分数为5%的N1S12催化剂稳定性测试H2/C0。
[0017]具体实施案例
为了更清楚的说明本发明，列举以下实施例，但其对本发明的范围无任何限制。
[0018]实施例1
称取六水合硝酸镍前驱体盐，溶于蒸馏水，配成Ni2+溶度为0.28mol/L的硝酸镍水溶液。称取20.16g聚乙二醇单-4-壬苯醚(η?5)溶于环己烷中，往该溶液中加入2.16ml上述配置的硝酸镍水溶液，在30 °C下搅拌15h。然后加入2.16ml质量分数28%的浓氨水，在30 °C继续搅拌2h，再往其中加入2.5ml正硅酸四乙酯，30 °C下继续搅拌2天。往所得溶液中加入16ml乙醇，随后在10000rp/min转速下离心15min收集，用丙酮和环己烧体积比为1:1的混合溶剂洗涤三次。在40°C下真空干燥12h，适当研磨后在空气气氛下以2°C/min升温速率，在800°C焙烧4h，得N10S12核壳材料。再利用流速为60ml/min，体积百分数为10%H2_Ar混合气气氛，在800°C条件下在固定床反应器中原位还原2h，得到N1S12核壳结构甲烷干气重整催化剂，其中镍的质量分数为5%。
[0019]催化剂活性测试:取0.05g(40-60目)上述制备的N10S12核壳材料用流速为60ml/min，体积百分数为I O1Mfe-Ar混合气气氛，在800 °C条件下在固定床应器中原位还原2h，随后关闭10%H2-Ar混合气，改为通流速均为7.5ml/min的CH4和CO2气体。催化剂活性测试从60(TC到8(KTC，稳定性测试在8(KTC下进行;经过10h稳定性测试后催化剂仍保持很好的活性，CH4和CO2转化率非常接近，分别为88.9%和89.6%，没有发生失活现象。
[0020]实施例2
称取六水合硝酸镍前驱体盐，溶于蒸馏水，配成Ni2+溶度为0.937mol/L的硝酸镍水溶液。称取20.16g聚乙二醇单-4-壬苯醚(η?5)溶于环己烷中，往该溶液中加入2.16ml上述配置的硝酸镍水溶液，在30 °C下搅拌15h。然后加入2.16ml质量分数为28%的浓氨水，在30 °C继续搅拌2h，再往其中加入2.5ml正硅酸四乙酯，30 °C下继续搅拌2天。往所得溶液中加入16ml乙醇，随后在10000rp/min转速下离心15min收集，用丙酮和环己烧体积比为1:1的混合溶剂洗涤三次。在40°C下真空干燥12h，适当研磨后在空气气氛下以2°C/min升温速率，在800°C焙烧4h，得N10S12核壳材料。再利用流速为60ml/min，体积百分数为10%H2-Ar混合气气氛，在800°C条件下在固定床反应器中原位还原2h，得到N1S12核壳结构甲烷干气重整催化剂，其中镍的质量分数为15%。
[0021 ] 催化剂活性测试:取0.05g(40-60目)上述制备的N10S12核壳材料，用流速为60ml/min，体积百分数为11Mfe-Ar混合气气氛，在800 °C条件下在固定床反应器中原位还原2h，随后关闭10%H2-Ar混合气，改为通流速均为7.5ml/min的CH4和CO2气体。催化剂活性测试从600°C到SOOtC，稳定性测试在800°C下进行;经过20h稳定性测试后催化剂仍保持很好的活性，CH4和CO2转化率分别为88.4%和91.9%，没有发生失活现象。
[0022]图3为本发明制备的镍的质量分数为5%的多核N1S12催化剂，在常压下、反应气组成为CH4: CO2=1:1，空速为I，8000ml.gcat—1.h—1，反应温度为800 °C的反应条件下，10h稳定性测试活性结果；
图4为本发明制备的镍的质量分数为5%的多核N1S12催化剂，在常压下、反应气组成为CH4: CO2=1:1，空速为I，8000 ml.gcat—1.h—1，反应温度为800 °C的反应条件下，100 h稳定性测试H2/C0结果。
【主权项】
1.一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法，其特征是: 1)称取六水合硝酸镍前驱体盐，将其溶于蒸馏水配成溶液，该溶液中Ni2+浓度为0.0536mol/L?0.937 mol/L； 2)将聚乙二醇单-4-壬苯醚溶于环己烷中，往该溶液中加入2.16ml由步骤I)所配置的硝酸镍水溶液，30 °C下搅拌15 h，然后往溶液中加入2.16 ml浓氨水继续搅拌2 h，再加入2.5 ml正硅酸四乙酯，继续搅拌2天； 3)往步骤2)所得溶液中加入16ml乙醇，在10000 rp/min转速下离心15 min收集产物，再用丙酮和环己烷体积比为1:1的混合溶剂洗涤； 4)将步骤3)所得产物在40°C下真空干燥12 h; 5)将步骤4)所得粉末研磨，在空气气氛下以I?2°C/min升温速率，在600°C?800°C焙烧4 h，得多核N10S12核壳材料； 6)将步骤5)制得的多核N10S12核壳材料在流速为60ml/min，体积百分数为10%H2-Ar的混合气氛围中，800°C条件下，在固定床反应器中原位还原2h，得到N1S12核壳结构催化剂； 所述制备方法是采用反向微乳液法直接制得核壳结构多核Ni0@Si02。2.根据权利要求1所述的一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法，其特征是:所制得的多核N1S12核壳结构催化剂外包覆物为Si02。3.根据权利要求1所述的一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法，其特征是:所制得的多核N1S12核壳结构催化剂中每个硅球中包含多个N1纳米颗粒。4.根据权利要求1所述的一种多核核壳结构镍基催化剂的制备方法，其特征是:所制得的多核N1S12核壳结构催化剂中每个硅球中包含单个或多个Ni纳米颗粒。
【文档编号】B01J23/755GK105964259SQ201610314466
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】彭洪根, 张先华, 王翔, 刘文明
【申请人】南昌大学