冷等離子體耦合MoxC-Ni/Al2O3催化劑用于甲烷水汽重整制氫反應(yīng)

刁亞南，所 聰，張 曉，方健聰，石 川

(大連理工大學(xué) 化工學(xué)院 精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

碳化鉬(MoxC)材料具有類貴金屬性質(zhì)，同時(shí)可作為載體和助劑起到分散和穩(wěn)定金屬的作用，作為一種新型催化材料在甲烷重整制氫反應(yīng)過(guò)程中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本課題組前期研究工作表明[12-15]：碳化鉬基催化劑材料由于獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫活化H2O分子的催化性質(zhì)，將其與傳統(tǒng)Ni基催化劑進(jìn)行復(fù)合，能夠有效緩解甲烷活化速率過(guò)快帶來(lái)的表面積炭問(wèn)題；同時(shí)，活性金屬與碳化鉬間的強(qiáng)相互作用有利于活性界面的有效構(gòu)建以及活性金屬的鉚定，為高穩(wěn)定、抗燒結(jié)型Ni基催化劑的設(shè)計(jì)構(gòu)建提供了有效的解決方案。

另一方面，除了對(duì)催化劑的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，高效的工藝過(guò)程強(qiáng)化開(kāi)發(fā)同樣至關(guān)重要。如將新型催化體系與外場(chǎng)能量進(jìn)行耦合，以有效地將熱、電和光能等轉(zhuǎn)化為活化CH4分子和H2O分子的驅(qū)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)溫和條件下CH4、H2O等分子的高效活化轉(zhuǎn)化[16]。冷等離子體具有高能電子，提供了一種低溫活化反應(yīng)物分子的獨(dú)特技術(shù)，作為一種化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)手段，可以完成許多常規(guī)條件下難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)[17-18]。其中，介質(zhì)阻擋等離子體中的電子溫度為1～10 eV(1 eV相當(dāng)于11605 K)，可有效地將CH4、CO2、H2O等能源小分子活化成反應(yīng)自由基、激發(fā)態(tài)物種(分子、離子、原子)，顯著降低反應(yīng)能壘，促進(jìn)低溫條件下吸熱反應(yīng)的發(fā)生[19-20]。但是單純應(yīng)用冷等離子體面臨產(chǎn)物選擇性差的問(wèn)題[21-22]。因此，如何在溫和條件下將冷等離子體的高活性和催化劑的高選擇性有效地耦合變得至關(guān)重要。

本研究中將MoxC與Ni/Al2O3催化劑機(jī)械混合制備了MoxC-Ni/Al2O3雙功能催化劑，考察了MoxC助劑對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)、等離子體放電性質(zhì)(放電功率、有效電容)、催化性能的影響。同時(shí)，在無(wú)額外熱源加熱條件下，通過(guò)對(duì)輸入電壓的調(diào)控可實(shí)現(xiàn)CH4解離速率和H2O活化速率的匹配，并對(duì)催化劑的穩(wěn)定性及失活機(jī)制進(jìn)行了探究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

氧化鋁，40～60目，購(gòu)于中國(guó)石油蘭州化工研究院；硝酸鎳、七鉬酸銨(焙燒后得MoO3)，均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥基團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甲烷(純度99.999%)、氫氣(純度99.999%)、二氧化碳(純度99.999%)、O2/Ar混合氣(O2體積分?jǐn)?shù)1%)，購(gòu)于大連化物所氣體站。

1.2 催化劑制備

Ni/γ-Al2O3制備：將一定量的硝酸鎳溶于去離子水中，采用等體積浸漬法將所得溶液浸漬于γ-Al2O3粉末，40 ℃下靜置24 h。將前驅(qū)體放在80 ℃烘箱中干燥12 h，然后在600 ℃焙燒2 h。所得的催化劑記作NiAl，其中Ni的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

α-MoC制備：將一定量的MoO3顆粒裝入內(nèi)徑為6 mm的石英管中，在NH3氣氛下從40 ℃升至700 ℃(5 ℃/min)，保溫2 h。溫度降至40 ℃后，將NH3切換成20%CH4/H2，再次從40 ℃升至700 ℃(5 ℃/min)，保溫2 h，待溫度降至40 ℃后通1%O2/Ar鈍化12 h。

β-Mo2C制備：將一定量的MoO3顆粒裝入內(nèi)徑為6 mm的石英管中，在20%CH4/H2氣氛下先從40 ℃升至300 ℃(5 ℃/min)，再升至700 ℃(1 ℃/min)，保溫2 h。冷卻至40 ℃后通1%O2/Ar鈍化12 h。

MoC-NiAl催化劑制備：將一定量的Ni/γ-Al2O3與α-MoC在研缽中機(jī)械混合60 min，所得的催化劑記作MoC-NiAl，其中Ni與Mo摩爾比為2/1。

Mo2C-NiAl催化劑制備：將一定量的Ni/γ-Al2O3與β-Mo2C在研缽中機(jī)械混合60 min，所得的催化劑記作Mo2C-NiAl，其中Ni與Mo摩爾比為2/1。

1.3 催化劑表征

粉末X射線衍射(XRD)分析采用日本島津公司XRD-6000儀器，射線源為CuKα(λ=0.15404 nm)，管電壓為240 kV，管電流為50 mA。

透射電子顯微鏡(TEM)分析在日本JEOL公司JEM-2100儀器上進(jìn)行，工作電壓為200 kV。

拉曼光譜(Raman)分析采用美國(guó)Thermo Fisher公司的DXR Microscope儀器，激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm。

N2吸附-脫附測(cè)試在Micromeritics公司的ASAP 2460儀器上完成，比表面積采用BET (Brunauer-Emmett-Teller)方法測(cè)定。

電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜(ICP-OES)測(cè)定在Optima 2000DV儀器上完成。

1.4 催化劑性能評(píng)價(jià)

催化劑性能評(píng)價(jià)在固定床反應(yīng)裝置上進(jìn)行，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 介質(zhì)阻擋放電等離子體催化反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of dielectric barrier diseharge plasma-catalytic reactor

將10 mg催化劑與300 mg石英砂混合均勻后置于剛玉管反應(yīng)器中，500 ℃下H2還原1 h。冷卻至室溫，將電壓調(diào)至70 V，放電30 min，穩(wěn)定后開(kāi)始采樣。反應(yīng)條件為：V(CH4)/V(H2O)/V(Ar)=1/1/3、質(zhì)量空速(MHSV)為300000 mL/(g·h)、無(wú)額外熱源加熱。以CH4轉(zhuǎn)化率(XCH4，%)、H2O轉(zhuǎn)化率(XH2O，%)評(píng)價(jià)催化劑性能，計(jì)算式如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：FCH4，in和FCH4，out分別為進(jìn)氣口和尾氣口的CH4流量，mL/min；FH2，out為尾氣口的H2流量，mL/min；FH2O，in和FH2O，out分別為進(jìn)氣口和尾氣口的H2O流量，mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 Mo2C-Ni/γ-Al2O3和γ-Ni/Al2O3催化劑結(jié)構(gòu)表征

圖2為還原后NiAl和Mo2C-NiAl催化劑的XRD譜圖。從圖2可以看出，NiAl催化劑上觀察到金屬Ni(JCPDS No.04-0850)和γ-Al2O3相(JCPDS No.75-0921)的特征衍射峰，表明該催化劑上NiO被還原為金屬Ni。而Mo2C-NiAl催化劑上除了觀察到金屬Ni和γ-Al2O3的衍射峰外，在2θ為36.4°和42.3°處觀察到β-Mo2C相的特征衍射峰(JCPDS No.65-8766)，說(shuō)明該催化劑在制備過(guò)程中β-MoC相沒(méi)有被破壞。

圖2 還原后NiAl、Mo2C-NiAl催化劑的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of the reduced NiAl and Mo2C-NiAl catalysts

表1為γ-Al2O3、NiAl和Mo2C-NiAl的物化性質(zhì)。從表1可以看出：與γ-Al2O3載體相比，NiAl催劑的比表面積明顯降低化，表明浸漬法加入的Ni物種堵塞一部分Al2O3載體上的孔結(jié)構(gòu)；Mo2C-NiAl催化劑的比表面積略高于NiAl催化劑。

表1 γ-Al2O3、NiAl和Mo2C-NiAl的物化性質(zhì)Table 1 Textural properties of γ-Al2O3，NiAl and Mo2C-NiAl

2.2 不同輸入電壓下碳化鉬對(duì)Ni基催化劑活化H2O能力的提升作用

對(duì)于甲烷水汽重整反應(yīng)，高溫反應(yīng)條件下積炭和活性金屬燒結(jié)是傳統(tǒng)催化劑失活的主要原因。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行分析，由于反應(yīng)過(guò)程中CH4的解離速率高于H2O的活化速率，導(dǎo)致CH4解離生成的碳物種來(lái)不及被H2O解離的O物種消耗而沉積在催化劑表面，進(jìn)而形成積炭導(dǎo)致催化劑失活[23]。因此，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況下CH4解離速率和H2O活化速率的匹配至關(guān)重要。

基于碳化鉬基材料具有優(yōu)異活化H2O分子特性的研究基礎(chǔ)，在無(wú)額外熱源加熱條件下，進(jìn)一步考察了引入碳化鉬物種后不同輸入電壓對(duì)催化劑CH4和H2O解離速率的影響，如圖3所示。從圖3可以看出，對(duì)于Mo2C-NiAl催化劑，當(dāng)輸入電壓為30 V時(shí)，CH4轉(zhuǎn)化率高于H2O，這是由于CH4分子的C—H鍵能低于H2O分子的O—H鍵能，冷等離子體更有利于活化甲烷，表明冷等離子體起到主要作用。當(dāng)輸入電壓升高至40 V，H2O的轉(zhuǎn)化率高于CH4，并且隨著輸入電壓的進(jìn)一步提高，兩者轉(zhuǎn)化率同步增大且差距逐漸減小，尤其是輸入電壓為70 V時(shí)CH4和H2O的轉(zhuǎn)化率分別為80%和82%，表明催化劑的催化作用逐漸增強(qiáng)，即高輸入電壓下冷等離子體與Mo2C-NiAl間的協(xié)同作用也逐漸增強(qiáng)。通過(guò)以上結(jié)果分析，70 V是最優(yōu)的輸入電壓值，此時(shí)CH4解離速率和H2O活化速率相匹配，有助于抑制積炭的生成。

圖3 不同輸入電壓條件下Mo2C-NiAl催化劑的CH4和H2O轉(zhuǎn)化率Fig.3 Conversions of CH4 and CO2 over Mo2C-NiAl catalyst at different input voltagesReaction conditions：V(CH4)/V(H2O)/V(Ar)=1/1/3；MHSV=300000 mL/(g·h)；Without any external heating

2.3 碳化鉬助劑對(duì)催化劑放電性質(zhì)的影響作用

等離子體-催化耦合模式下，不同填充材料上放電性質(zhì)(如有效電容、放電功率)對(duì)催化活性有顯著的影響。通過(guò)測(cè)不同填充材料時(shí)的李薩如圖形確定其在放電區(qū)域內(nèi)的放電功率、有效電容及放電形式[24]，如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)填充石英砂時(shí)，測(cè)得的李薩如圖形為平行四邊形，表明放電形式以絲狀放電為主；而填充NiAl和Mo2C-NiAl催化劑后，測(cè)得的李薩如圖形為橢圓形，表明填充催化劑之后放電形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐员砻娣烹姙橹鳌７烹娦问降母淖冞M(jìn)一步說(shuō)明等離子體與催化劑間具有顯著的協(xié)同作用[24]。對(duì)有效電容和放電功率進(jìn)一步分析結(jié)果表明，與填充石英砂相比，填充催化劑后放電功率和有效電容明顯提高，這主要來(lái)自于不同填充材料上放電形式的改變[25]。與NiAl催化劑相比，Mo2C-NiAl催化劑上的放電功率和有效電容進(jìn)一步提高，表現(xiàn)出最大的放電功率和有效放電電容(分別為48 W和178 pF)，主要是由于碳化鉬具有良好的導(dǎo)電性[26]，有助于放電過(guò)程中電荷積累。

圖4 等離子體催化耦合模式下填充石英砂、NiAl、Mo2C-NiAl的李薩如圖及其放電功率和有效電容Fig.4 Lissajous figures of being filled with quartz sand，NiAl and Mo2C-NiAl under plasma catalytic coupling mode and discharge power and effective capacitance Lissajous figures：(a)Quartz sand；(b)NiAl；(c)Mo2C-NiAl；(d)Corresponding discharge power and effective capacitance Reactionconditions：V(CH4)/V(H2O)/V(Ar)=1/1/3；MHSV=300000 mL/(g·h)；Input voltage 70 V；Without any external heating；The temperature generated by plasma discharge in catalyst bed is 630 ℃.

2.4 不同晶相碳化鉬助劑對(duì)催化活性的影響

為比較不同晶相的碳化鉬助劑(α-MoC、β-Mo2C)對(duì)催化活性的影響，在CH4/H2O/Ar體積比為1/1/3、MHSV為300000 mL/(g·h)、輸入電壓為70 V、無(wú)額外熱源加熱、催化劑床層溫度約為630 ℃的條件下，考察了等離子體催化耦合模式下MoC-NiAl和Mo2C-NiAl催化劑的活性，如圖4所示。Mo2C-NiAl的CH4轉(zhuǎn)化率(81%)高于MoC-NiAl(76%)，表明β-Mo2C的加入更有助于催化劑催化活性的提高。

2.5 等離子體催化耦合模式下催化劑穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

圖5為等離子體催化耦合模式下NiAl和Mo2C-NiAl催化劑的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果。從圖5可以看出，在CH4/H2O/Ar體積比為1/1/3、MHSV為300000 mL/(g·h)、輸入電壓為70 V、等立體放電產(chǎn)生的溫度約為630 ℃、無(wú)額外熱源加熱條件下，Mo2C-NiAl催化劑具有最高的初始CH4轉(zhuǎn)化率。對(duì)于NiAl催化劑，在反應(yīng)時(shí)間29 h內(nèi)，CH4轉(zhuǎn)化率由80%降至48%，催化劑出現(xiàn)明顯失活。相較于NiAl催化劑，Mo2C-NiAl催化劑則展現(xiàn)出最優(yōu)異的催化穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)反應(yīng)時(shí)間29 h，CH4轉(zhuǎn)化率始終保持在80%左右，催化劑性能基本不變，這主要得益于β-Mo2C較好的活化H2O能力及其和金屬Ni間較強(qiáng)的相互作用，有利于金屬的分散和穩(wěn)定，抑制了反應(yīng)過(guò)程中積炭的生成和Ni的團(tuán)聚燒結(jié)。

圖5 等離子體催化耦合模式下NiAl和Mo2C-NiAl催化劑的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)Fig.5 Stability performance of NiAl and Mo2C-NiAl catalysts under plasma catalytic coupling mode ReactionV(CH4)/V(H2O)/V(Ar)=1/1/3；MHSV=300000 mL/(g·h)，Input voltage 70 V；Without any external heating；The temperature generated by plasma discharge in catalyst bed is 630 ℃.

結(jié)合上述結(jié)果，推測(cè)等離子體催化耦合模式下甲烷水汽重整的反應(yīng)機(jī)理可能是：氣相中等離子體放電產(chǎn)生的高能電子與反應(yīng)物分子(CH4、H2O)發(fā)生非彈性碰撞，使其轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)物種(如CH3*、CH2*、CH*、H*、OH*等)[27-28]。同時(shí)，生成的激發(fā)物種快速擴(kuò)散吸附于Mo2C-NiAl和NiAl催化劑表面發(fā)生表面反應(yīng)，有效地提高了放電區(qū)域內(nèi)催化劑的催化性能[29]。

2.6 碳化鉬物種對(duì)Ni基催化劑抗積炭性能的影響

為了探究不同催化劑在甲烷水汽重整反應(yīng)中的失活原因，進(jìn)一步對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試后的催化劑進(jìn)行了XRD表征，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：對(duì)于反應(yīng)后NiAl催化劑，除了Ni、Al2O3相的衍射峰外，在2θ為26.6°處出現(xiàn)1個(gè)明顯的衍射峰，歸因于石墨碳(JCPDS No.26-1080)，表明反應(yīng)過(guò)程中NiAl催化劑上有明顯積炭生成；此外，金屬Ni的衍射峰相較于反應(yīng)前樣品明顯增強(qiáng)，說(shuō)明發(fā)生一定程度的團(tuán)聚現(xiàn)象，催化劑的積炭和金屬Ni的團(tuán)聚可能是其失活的主要原因。而對(duì)于反應(yīng)后Mo2C-NiAl催化劑，除了觀察到Ni、γ-Al2O3、β-Mo2C相的衍射峰外，沒(méi)有出現(xiàn)石墨碳或MoO2的衍射峰，表明該催化劑在反應(yīng)過(guò)程中被氧化且積炭被有效抑制，說(shuō)明該催化劑上H2O活化速率和CH4解離速率相匹配；同時(shí)金屬Ni的衍射峰強(qiáng)度最弱，表明β-Mo2C的引入能夠有效地抑制金屬的團(tuán)聚燒結(jié)，因此Mo2C-NiAl催化劑表現(xiàn)出最好的反應(yīng)穩(wěn)定性。

圖6 反應(yīng)后NiAl、Mo2C-NiAl催化劑的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of spent NiAl and Mo2C-NiAl catalysts

為了進(jìn)一步確定不同催化劑上的積炭程度，對(duì)其進(jìn)行了Raman表征，如圖7所示。D帶(1341 cm-1)表示積炭的無(wú)定型程度，G帶(1596 cm-1)表明積炭的石墨化。D帶和G帶的峰強(qiáng)度比值(ID/IG)則可以表示反應(yīng)后催化劑上積炭的石墨化程度，即ID/IG越小，積炭石墨化程度越高[30-31]。由圖7可以看出，Mo2C-NiAl的ID/IG大于NiAl，表明NiAl催化劑上積炭石墨化程度更高，不利于氧物種氧化消除，這與XRD結(jié)果相一致。

圖7 反應(yīng)后NiAl和Mo2C-NiAl催化劑的Raman圖譜Fig.7 Raman spectra of spent NiAl and Mo2C-NiAl catalysts

為了比較反應(yīng)前后不同催化劑上Ni粒徑變化，對(duì)反應(yīng)前后的催化劑進(jìn)行TEM表征，如圖8所示。

圖8 反應(yīng)前后不同催化劑的TEM照片和相應(yīng)的粒徑分布Fig.8 TEM images and corresponding particle size distribution of different catalysts before and after reduction(a)，(b)Reduced NiAl；(c)，(d)Reduced Mo2C-NiAl；(e)，(f)Spent NiAl；(g)，(h)Spent Mo2C-NiAl

從圖8看出，γ-Al2O3載體具有一定的棒狀結(jié)構(gòu)。與反應(yīng)前Mo2C-NiAl催化劑相比(圖8(c)和(d))，反應(yīng)前NiAl催化劑上的Ni顆粒(黑點(diǎn))較為明顯(圖8(a)和(b))，表明催化劑在還原過(guò)程中Ni發(fā)生一定程度的團(tuán)聚。還原后NiAl催化劑上的金屬Ni平均粒徑為7.3 nm，而加入Mo2C后Ni的平均粒徑減小至4.0 nm，表明Mo2C的引入能夠使金屬Ni在還原過(guò)程中再分散，歸因于Ni與Mo2C間具有強(qiáng)相互作用[29]。反應(yīng)后NiAl催化劑上金屬Ni發(fā)生明顯團(tuán)聚(圖8(e)和(f))，Ni的平均粒徑為10.5 nm；而反應(yīng)后Mo2C-NiAl催化劑上未觀察到明顯的Ni顆粒(圖8(g)和(h))，且Ni的平均粒徑為5.5 nm，表明β-Mo2C的加入有效抑制了金屬Ni燒結(jié)，有助于催化穩(wěn)定性的提高。

3 結(jié) 論

(1)利用機(jī)械混合法制備了MoxC-Ni/γ-Al2O3復(fù)合型催化劑，系統(tǒng)考察了碳化鉬助劑對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，由于Ni與β-Mo2C間具有較強(qiáng)相互作用，Mo2C的加入促進(jìn)了金屬Ni的再分散，有效提升了催化劑的抗燒結(jié)能力。

(2)與NiAl催化劑相比，Mo2C的加入(Mo2C-NiAl催化劑)顯著提高了放電過(guò)程中的放電功率和有效電容，這主要?dú)w因于Mo2C具有良好的導(dǎo)電性，有助于電荷累積和表面局域電場(chǎng)的提高。同時(shí)，當(dāng)輸入電壓為70 V時(shí)，CH4解離速率和H2O活化速率相匹配，有效地抑制長(zhǎng)周期反應(yīng)過(guò)程中積炭的生成。

(3)無(wú)額外熱源加熱條件下，Mo2C-NiAl催化劑展現(xiàn)出最優(yōu)的甲烷水汽重整反應(yīng)穩(wěn)定性，在反應(yīng)時(shí)間29 h內(nèi)CH4轉(zhuǎn)化率始終保持在80%，歸因于Ni粒徑小和β-Mo2C具有較好的活化H2O能力。

(4)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了催化劑在等離子體催化甲烷水汽重整反應(yīng)中可能的反應(yīng)過(guò)程：反應(yīng)物分子與等離子體放電產(chǎn)生的高能電子發(fā)生非彈性碰撞后生成活性激發(fā)態(tài)物種，然后擴(kuò)散并吸附在催化劑上發(fā)生表面反應(yīng)，有效地提高了等離子體與催化劑間的協(xié)同作用。