高活性、高稳定性核壳结构纳米催化剂的创制及其在氨合成与低碳烷烃重整制氢中的应用

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
21173118
项目类别：
面上项目
资助金额：
61.0万
负责人：
季伟捷
依托单位：
南京大学
学科分类：
B0202.催化化学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
李彦兴；李雷；何圣超；宋艳艳；姚瑶；
关键词：
微囊反应器核壳结构纳米催化剂氨合成低碳烷烃重整反应

项目摘要

可控合成不同尺寸 Fe, Co, Ni, Ru 一元或二元金属氧化物纳米粒子。浸渍引入特定种类碱金属、碱土金属、稀土元素助剂。采用超声助促的Stober法将氧化物纳米粒子包裹在不同厚度、不同孔径/孔隙率的SiO2、Al2O3稳定壳层中。通过原位还原反应，形成具有微囊反应器结构的新型纳米金属催化剂。将该类催化剂应用于氨合成以及低碳烷烃重整制氢等能源催化过程。我们前期的研究证明由于微囊反应器结构可产生明显的反应物分子的富集与强化效应，且活性纳米粒子处于稳定的包裹壳层中，这类新型纳米催化材料不仅可望具有高反应活性，而且能保持纳米粒子的高稳性，尤其是在高温、高压的苛刻反应条件下。通过改变纳米金属核的元素组成与粒子大小、调变微囊空间尺寸与包裹壳层的种类与结构，可实现对该类功能催化材料结构与性能的系统调变与优化，并深入认识二者之间的内在关联，发展出具有鲜明特色和重要应用价值的纳米催化剂及相关催化过程。

结项摘要

本研究项目致力于发展高活性、高稳定性的核壳结构纳米催化剂体系，拓展纳米催化剂的应用范围。首先发展了可精细调控的Ni@SiO2核壳结构催化剂并应用于甲烷氧化重整制合成气。核粒子越小活性越高。内核Ni粒子尺寸为6 nm的催化剂上CH4的转化频率为37.9 s-1，显示出优异的活性和结构稳定性。小的内核粒子还能有效抑制表面积碳。发展了氧化硅包裹的双金属Co-Ni催化剂。Ni-Co双金属的比例能显著影响催化活性，且Co的引入能显著抑制表面积炭。用La, Ce, Ba, 等掺杂改性SiO2包裹的NiO纳米粒子，其中La掺杂的Ni@SiO2催化剂具有更优异的性能。La2O3物种显著提升了表面抗积炭能力。采用水合肼还原法、氨水直接沉淀法和水热法分别制备了钌基核壳结构。R-Ru@SiO2在形貌结构和催化性能上都优于D-Ru@SiO2和H-Ru@SiO2。制备了不同Ni/Ru原子比的核壳结构催化剂。Ni的加入提高了金属核纳米粒子的分散。5Ni-Ru@SiO2催化效果最佳。低Ru含量时Ru/Ni原子比在0.01-0.06范围催化效率较高。制备了Ru-Co双金属核壳催化剂并应用于甲烷干法及氧化重整反应。催化剂低温活性好，内核粒子抗氧化能力强。发展了“先核后壳”和“先壳后核”的简便途径制备M@SiO2 (M = Ag, Au, Pt)纳米核壳结构。金属内核可以控制在6-9 nm, SiO2壳层织构可调。Au@mSiO2中纳米Au经550C空气焙烧仍能保持高的CO氧化性能。由“先壳后核”途径制得的催化剂液相中室温下可还原对硝基苯酚。经由核壳结构Au/-FeOOH@SiO2可控制备了Au/FeOx空心纳米结构。SiO2壳层有效抑止了金纳米粒子聚集。所得的Au/FeOx经180C预处理后，CO氧化的T100从180C下降至88C。经180C 水热 24 h制备的Ru@SiO2-180具有均匀而典型的微囊核壳结构，Ba掺杂促进了Ru的分散，且提高了Ru的电子密度，而微囊结构促进了NH3的吸附与表面反应。温和酸刻蚀制得的yolk/shell结构Co3O4@SiO2显示出高的活性与稳定性。综述了近年来核壳结构纳米材料的创制及在催化化学中的应用。通过系统研究，揭示了获得高效核壳结构催化剂的若干关键因素。