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化学链重整制氢镍基高性能载氧体合成及性能研究

【摘要】:化学链重整制氢技术是推动氢经济持续发展的重要动力。利用生物甘油和生物乙醇这两种最具前景的替代燃料作为原料将实现过程的负碳排放。载氧体是构建化学链技术的核心。本文围绕Ni基载氧体,针对常规载氧体死时间延长、表面积碳与活性组分烧结这三个关键问题开展研究,利用纳米限域效应和镧系金属掺杂实现高性能载氧体构建。通过常规Ni基载氧体反应特性探究其失活机理,指导高性能载氧体开发。利用共沉淀法合成了 Ni-Al和NiW-Al载氧体,采用固定床反应器与移动床反应器进行了活性与稳定性测试。活性测试表明,原料进料步初期存在无H2产生的死时间,氧空位浓度与颗粒分散度是影响死时间长度的重要因素,同时,在死时间与重整阶段均会产生表面积碳,直接影响Ni基载氧体还原程度与活性;稳定性测试表明,活性组分烧结将延长死时间并增加表面积碳浓度,是影响多循环稳定性的关键因素。针对活性组分烧结的问题,基于纳米限域效应,合成了具有层状结构的一维限域载氧体(xNi-MMT,x=10、20、30)。实验发现,20Ni-MMT具有最强的循环稳定性与活性且显著高于常规非限域20Ni-Al载氧体,但二者死时间长度接近。机理分析表明,20Ni-MMT的高循环稳定性源于层状限域结构对颗粒热运动的限制;与常规载氧体相比,限域效应降低了 NiO的还原性,一定程度上延长了死时间,但限域效应导致的高颗粒分散度提升了 NiO的还原速率,使二者死时间长度接近。为了提升抗烧结能力并缩短死时间,合成了具有有序介孔结构(Ni/Al-MCM-41)和纳米管结构(Ni/PSNT)的两种二维限域载氧体,研究了合成方法与Ce掺杂对二维限域载氧体反应特性的影响规律。研究表明,二维限域结构较一维结构进一步降低了 Ni的热运动自由度,具有更高的稳定性;直接合成法与Ce掺杂均可缩短死时间并提升载氧体活性,这是由于直接合成法的颗粒分散度更高,同时,Ce掺杂有效分隔了活性组分并增加了氧空位浓度,二者提升了 NiO的还原速率和积碳阻力。为了进一步提升抗烧结能力,合成了纳米构筑载氧体LnNi@ZrO2(Ln=Ce、La、Yb、Pr),研究了三维限域结构和不同镧系金属掺杂对反应特性的影响规律。三维限域结构的循环稳定性明显高于一维、二维限域结构,其中,CeNi@Zr02在50循环测试中未见明显失活,这是由于大离子半径镧系金属抑制相转变能力更强,提升了三维限域结构的热稳定性;镧系金属掺杂不同程度地作用于活性组分分散度与氧传递能力,二者共同作用解决了由三维限域结构引起的死时间延长问题;与其他载氧体相比,CeNi@ZrO2活性组分分散度最高,氧传递能力较强,提升了积碳阻力及水汽变换活性。

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