介质阻挡放电等离子制备5Ni-5La/SiO2催化剂及其甲烷干重整反应催化性能

doi:10.7503/cjcu20220503

摘要/Abstract

摘要：

利用介质阻挡放电等离子体法制备了5Ni-5La/SiO₂催化剂, 并用于甲烷干重整反应. 在常压, 700 ℃, 空速为4.8×10⁴ mL·g^‒1·h^‒1时, 等离子体法所制催化剂催化甲烷干重整反应的CH₄和CO₂的转化率分别为81.2%和88.4%, 且在30 h内保持稳定; 而传统催化剂的CH₄和CO₂初始转化率分别为81%和88.4%, 30 h后下降到58.8%和68.6%. 研究结果表明, 介质阻挡放电等离子体法制备的催化剂具有更高的分散性和更强的金属与La₂O₃的相互作用. 等离子体处理增加了Ni周围的电子密度, 增强了CO₂在催化剂表面的吸附能力和活化能力, 促进了HCOO^‒中间体的生成, 有利于反应正向进行.

关键词: 等离子体, 甲烷干重整, 镍基催化剂, 三氧化二镧

Abstract:

Ni-La catalysts were prepared using dielectric barrier discharge plasma method and applied in the dry reforming of methane. CH₄ conversion and CO₂ conversion for the plasma-treated catalysts were 81.2% and 88.4%， respectively， and the catalyst remained stable within 30 h. While for conventional catalyst， the initial conversion rates of CH₄ and CO₂ were 81% and 88.4%， respectively， which finally decreased to 58.8% and 68.6% after 30 h. Thus， the stability of the catalyst prepared by the plasma method was significantly improved. The characterization results showed that the catalyst prepared by dielectric barrier discharge plasma has higher dispersion and stronger Ni-La₂O₃ interaction. The plasma treatment increased the electron density around Ni， which could enhance the adsorption and activation of CO₂ on the surface of the catalyst， promote the formation of HCOO^- intermediates， and facilitate the positive progress of the reaction.

Key words: Plasma, Methane dry reforming, Nickel-based catalyst, La₂O₃

中图分类号:

O643.36

TrendMD:

王雅芝, 贾显枝, 张宏港, 刘璐, 赵彬然. 介质阻挡放电等离子制备5Ni-5La/SiO₂催化剂及其甲烷干重整反应催化性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220503.

WANG Yazhi, JIA Xianzhi, ZHANG Honggang, LIU Lu, ZHAO Binran. 5Ni-5La/SiO₂ Catalysts Prepared by Dielectric Barrier Discharge Plasma Applying in the Dry Reforming of Methane. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220503.

图/表 9

Fig.1 XRD patterns of 5Ni⁃5La/SiO2⁃P and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C before and after reduction

Fig.2 TEM images(A, B) of 5Ni⁃5La/SiO2⁃P⁃red(A, C) and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C⁃red(B, D) and the particle size distributions(C, D)

Fig.3 H2⁃TPR profiles of 5Ni⁃5La/SiO2⁃P(a) and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C(b)

Fig.4 XPS spectra of catalysts 5Ni⁃5La/SiO2⁃P⁃red(a) and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C⁃red(b)（A） Ni2p；（B） O1s；（C） La3d；（D） Si2p .

Table 1 Peak data of XPS curve-fitting and Ni element content on the surface of 5Ni-5La/SiO2-P-red and 5Ni-5La/SiO2-C-red

Catalyst	E_b of Ni₂_p /eV		Molar fraction of Ni（%）
Catalyst	Ni⁰	Ni²⁺	Molar fraction of Ni（%）
5Ni⁃5La/SiO₂⁃C⁃red	852.8	856.1	0.98
5Ni⁃5La/SiO₂⁃P⁃red	852.6	856.0	1.50

Fig.5 CO2⁃TPD profiles of 5Ni/SiO2⁃P⁃red, 5Ni⁃5La/SiO2⁃P⁃red and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C⁃red

Fig.6 H2⁃TPD profiles of 5Ni⁃5La/SiO2⁃P⁃red and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C⁃red

Fig.7 DRIFTs of reaction on 5Ni⁃5La/SiO2⁃C⁃red(A) with the enlarge figure(B) and 5Ni⁃5La/SiO2⁃P⁃red(C) at 405 ℃

Fig.8 Results of 5Ni⁃5La/SiO2⁃P and 5Ni⁃5La/SiO2⁃C stability tests（A） CH4 conversion；（B） CO2 conversion；（C） nH2/nCO.

参考文献 43

1	Song C.， Catal. Today， 2006， 115（1—4）， 2—32
2	Imada S.， Peng X.， Cai Z.， Najib A.， Miyauchi M.， Abe H.， Fujita T.， Materials（Basel）， 2020， 13（9）， 2044
3	Hanaâ Er⁃rbib. C B.， François W.， Chem. Eng. Trans.， 2012， 29， 163—168
4	Chen X.， Wang F.， Han Y.， Yu R.， Cheng Z.， Energ. Convers. Manage， 2018， 158， 489—498
5	Goula M. A.， Charisiou N. D.， Siakavelas G.， Tzounis L.， Tsiaoussis I.， Panagiotopoulou P.， Goula G.， Yentekakis I. V.， Int. J. Hydrog. Energy， 2017， 42（19）， 13724—13740
6	Tomishige K.， Li D.， Tamura M.， Nakagawa Y.， Catal. Sci. Technol.， 2017， 7（18）， 3952—3979
7	Zhang J.， Li F.， App. Catal. B： Environ.， 2015， 176/177， 513—521
8	Fan C. Z.， Wu Y. S.， Li J. M.， Chem. J. Chinese Universities， 1995， 16（3）， 440—443
	范崇正，吴佑实，李剑敏. 高等学校化学学报， 1995， 16（3）， 440—443
9	Park K. S.， Cho J. M.， Park Y. M.， Kwon J. H.， Yu J. S.， Jeong H. E.， Choung J. W.， Bae J. W.， Catal. Today， 2022， 388/389， 224—230
10	Xie T.， Zheng H. Y.， Xu K. D.， Zhang Z. Y.， Yang B. L.， Yu B.， Chem. Eng. Sci.， 2021， 239， 116625
11	Farshidrokh Z.， Khani M. R.， Khodadadi A.， Gharib M.， Shokri B.， Chem. Eng. Technol.， 2021， 44（4）， 589—599
12	Wu L.， Xie X.， Ren H.， Gao， X.， Mater Today： Proceedings， 2021， 42， 153—160
13	Wang J.， Fu Y.， Kong W.， Jin F.， Bai J.， Zhang J.， Sun Y.， App. Catal. B： Environ.， 2021， 282， 119546
14	Ergazieva G. E.， Telbayeva M. M.， Popova A. N.， Ismagilov Z. R.， Dossumov K.， Myltykbayeva L. K.， Dodonov V. G.， Sozino S. A.， Niyazbayeva A. I.， Chem. Pap.， 2021， 75（6）， 2765—2774
15	Shin S. A.， Noh Y. S.， Hong G. H.， Park J. I.， Song H. T.， Lee K.Y.， Moon D. J.， J. Taiwan Inst. Chem. E， 2018， 90， 25—32
16	Lu Y.， Wang R.， Zhao Y.， Wang S.， Ma X.， Asia⁃Pac J. Chem. Eng.， 2021， 16（5）， 2678
17	Horlyck J.， Lewis S.， Amal R.， Scott J.， Top Catal.， 2018， 61（18/19）， 1842—1855
18	Yan X.， Hu T.， Liu P.， Li S.， Zhao B.， Zhang Q.， Jiao W.， Chen S.， Wang P.， Lu J.， Fan L.， Deng X.， Pan Y. X.， App. Catal. B： Environ.， 2019， 246， 221—231
19	Zhao B.， Yao Y.， Shi H.， Yang F.， Jia X. Z.， Liu P.， Ma X. X.， Catal. Today， 2019， 337， 28—36
20	Liu K.， Hu Y.， Lei J.， Phys. Plasmas， 2017， 24， 103513
21	Liu K.， Zuo J.， Ran C.， Yang M.， Geng W.， Liu S.， Kostya K. O.， PhysChemChemPhys， 2022， 24（15）， 8940—8949
22	Liu K.， Duan Q. S.， Zheng Z. F.， Zhou R. S.， Zhou R. W.， Tang W. B.， Cullen P.， Ostrikov K.， Plasma Process Polym.， 2021， 18（11）， 2100016
23	Liu K.， Zheng Z. F.， Liu S. T.， Hu Y. Y.， Plasma Chem. Plasma P， 2019， 39， 1255—1274
24	Song Q.， Ran R.， Li D.， Zhao B.， Weng D.， Catal. Surv. Asia， 2021， 25（3）， 312—323
25	Hua W.， Jin. L. J.， He X. F.， Liu J. H.， Hu H. Q.， Catal. Commun.， 2010， 11， 968—972
26	Liu G.， Li Y.， Chu W.， Shi X.， Dai X.， Yin Y.， Catal. Commun.， 2008， 9（6）， 1087—1091
27	Li B.， Yuan X.， Li L.， Li B.， Wang X.， Tomishige K.， Int. J. Hydroge Energy， 2021， 46（62），31608—31622
28	Gao X. Y.， Hidajat K.， Kawi S.， J. CO2 Util.， 2016， 15， 146—153
29	Liu H.， Wierzbicki D.， Debek R.， Motak M.， Grzybek T.， Da Costa P.， Galvez M. E.， Fuel， 2016， 182， 8—16
30	Ingale P.， Guan C.， Kraehnert R.， Naumann d’Alnoncourt R.， Thomas A.， Rosowski F.， Catal. Today， 2021， 362， 47—54
31	He L.， Ren Y.， Yue B.， Tsang S. C. E.， He H.， Processes， 2021， 9（4）， 706
32	Liu Q. T.， Liu W. Z.， Wang W. J.， Wang L.T.， Huo X. C.， Hu X. R.， Lian Y. X.， J. Xiamen Univ.（Natural Science）， 2022， 61（5）， 831—837
	刘茜桐，刘万洲，王伟杰，王伦韬，霍秀春，胡新瑞，连奕新. 厦门大学学报（自然科学版）， 2022， 61（5）， 831—837
33	Zhang R. B.， Liang L.， Zeng X. R.， Shang J. Y.， Wang T.， Cai J. X.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2012， 28（8）， 1951—1956
	张荣斌，梁蕾，曾宪荣，商金艳，汪涛，蔡建信. 物理化学学报， 2012， 28（8）， 1951—1956
34	Zhu X.， Huo P.， Zhang Y. P.， Cheng D. G.， Liu C. J.， App. Catal. B： Environ.， 2008， 81（1/2）， 132—140
35	Pino L.， Italiano C.， Vita A.， Laganà M.， Recupero V.， App. Catal. B： Environ.， 2017， 218， 779—792
36	Bma A.， Nboa B.， Arb C.， Baa D.， Asfa D.， Bva E.， Dopa B.， Int. J. Hydrog Energy， 2021， 46（48）， 24768—24780
37	Viinikainen T.， Rönkkönen H.， Bradshaw H.， Stephenson H.， Airaksinen S.， Reinikainen M.， Simell P.， Krause O.， App. Catal. A： Gen.， 2009， 362（1/2）， 169—177
38	Li X.， Zhao Z. J.， Zeng L.， Zhao J.， Tian H.， Chen S.， Li K.， Sang S.， Gong J.， Chem. Sci.， 2018， 9（14）， 3426—3437
39	Liu Y. C.， Zhu L. J.， Wang L.， Yin S.， Leng F. R.， Zhang F.， Lin H. Z.， Wang S. R.， Chinese J. Chem. Eng.， 2017， 25（5）， 602—608
40	Slagtern A.， Schuurman Y.， Leclercq C.， Verykios X.， Mirodatos C.， J. Catal.， 1997， 172（1）， 118—126
41	Sheng Z.， Kim H. H.， Yao S.， Nozaki T.， PhysChemChemPhys， 2020， 22（34）， 19349—19358
42	Zhao B. R.， Liu P.， Li S.， Shi H. F.， Jia X. Z.，Wang Q. Q.， Yang F.， Song Z. W.， Guo C.， Hua J.， Chen Z.， Yan X. L.， Ma X. X.， App. Catal. B： Environ.， 2020， 278， 119307
43	Ferreira⁃Aparicio P.， Fernandez⁃Garcia M.， Guerrero⁃Ruiz A.， Rodr´ıguez⁃Ramos I.， Appl. Catal. A： Gen.， 2000， 190， 296—308

[1]	刘至辰, 张宏伟, 张博稳, 陈鹏, 袁珮. 吸附法制备金属/碳催化剂用于5-羟基甲基糠醛高效电催化氧化的研究[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220631.
[2]	刘坤, 尹远, 耿文强, 夏昊天, 李华. 不同组分过渡金属氧化物催化剂对介质阻挡放电固氮的影响机制[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220278.
[3]	王昭一, 穆世林, 张学民, 张俊虎. 均一取向等离子体二聚体的制备及光学机理[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2374.
[4]	刘冬生. 超分子作用构筑具有高光学不对称性的表面等离子纳米粒子手性组装体[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1619.
[5]	石颖, 胡广剑, 吴敏杰, 李峰. 低温等离子体在锂离子电池材料中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1315.
[6]	张爱芹, 王嫚, 申刚义, 金军. 多溴联苯醚与人血清白蛋白相互作用的表面等离子体共振及分子对接[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2054.
[7]	潘梦芸, 冯流星, 李红梅. 高效液相色谱-非特异性同位素稀释质谱联用技术定量分析全血中总血红蛋白含量[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1983.
[8]	吴昊, 王长真, 仇媛, 田亚妮, 赵永祥. Ni-SiO₂催化剂空间限域维度对CH₄-CO₂重整反应金属抗积碳能力的影响[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2488.
[9]	赵艳锋,孙效龙,胡绍争,王辉,王菲,李萍. 氧掺杂对V_N-g-C₃N₄催化剂光催化固氮性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 132.
[10]	吴丹, 李曼, 钟瑶, 安奎生, 陈艳伟. 箭头形金纳米锥的湿法制备及性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(8): 1617.
[11]	李凯丰, 吴丹, 陈艳伟. 铜掺杂对金纳米棒生长及光学性质的影响[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 855.
[12]	贺小琴, 何军林, 徐华, 郭磊, 谢剑炜. 重组人促红细胞生成素-α DNA适配体的活性高级结构特征[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(1): 48.
[13]	韩林唤, 李凯丰, 陈艳伟. 金纳米棒的生长及与FeCl₃的作用[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(5): 706.
[14]	李佳慧, 张起凯, 赵杉林, 李萍. 微波等离子体炬原子发射光谱法测定铁增敏效应[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(4): 547.
[15]	王新晨, 杨美玲, 张小平. 调控微波等离子体能量进行药片活性分子结构的质谱分析[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(4): 561.

介质阻挡放电等离子制备5Ni-5La/SiO₂催化剂及其甲烷干重整反应催化性能

5Ni-5La/SiO₂ Catalysts Prepared by Dielectric Barrier Discharge Plasma Applying in the Dry Reforming of Methane

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