水滑石Ni基催化剂上甲烷干重整制氢的研究

摘要

层状双金属氢氧化物（layered double hydroxides, LDHs）是一类具有典型水滑石结构的阴离子黏土材料，其可设计的组成与优异的结构可塑性，使其成为高性能催化剂制备的理想前驱体.本研究以水滑石型LDHs为前驱体，采用共沉淀法制备了不同Ge/Ni摩尔比（0、0.1、0.3、0.5、1.0）的Ni-Ge/（Mg,Al）O_x催化剂，并在700℃、常压、总气体空速为42 000 mL·h^-1·g^-1条件下考察其催化甲烷干重整（DRM）制氢的活性与稳定性.通过N2吸附-脱附、FTIR、XRD、H₂-TPR、TGA-DTA、TPO与拉曼光谱等手段对反应前后催化剂进行了系统表征.结果表明，Ge的引入未改变催化剂的介孔结构，但显著增强了金属-载体相互作用(H₂-TPR测试中，n（Ge）/n（Ni）=0.3催化剂的还原峰温度较未改性Ni/（Mg, Al）O_x提升10℃，总H₂消耗量增至1.35 mmol·g^-1，表明金属与载体结合更紧密)，并形成Ni-Ge合金活性中心.在5种催化剂中，Ni-Ge/（Mg,Al）O_x(n（Ge）/n（Ni）=0.3)表现出最优DRM性能：CH₄和CO₂初始转化率分别达65%和74%，连续反应20 h无失活；积碳质量分数降至13%（未改性催化剂积碳质量分数约24%），且沉积碳石墨化程度最低（I_D/I_G=1.80，未改性催化剂I_D/I_G仅0.93）.性能提升主要归因于Ge促进的CO₂吸附-活化与碳气化循环，该循环有效抑制了烧结与石墨碳沉积.本研究为利用温室气体CH₄和CO₂高效制氢提供了高稳定性Ni-Ge水滑石型LDHs衍生催化剂的实验依据和设计思路.

关键词

甲烷干重整 / 水滑石 / Ni-Ge双金属催化剂