Ni-Co/TiO2增强CO2加氢反应性能的研究

doi:10.7503/cjcu20230308

摘要/Abstract

摘要：

通过浸渍-沉淀法合成负载型双金属催化剂Ni-Co/TiO₂, 采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附(BET)对其晶型、形貌、组成、表面元素价态和比表面积进行表征. 在CO₂加氢反应中, Ni-Co/TiO₂催化剂在3 h反应时间内生成84.4 μmol CH₄, 相较于Ni/TiO₂催化剂, 其CH₄产量提高了46.3%. 二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)测试结果证实, Co的引入能增强Ni-Co/TiO₂对CO₂的吸附和活化, 从而促进其加氢反应效率的提高. 经过5次循环活性测试, Ni/TiO₂的活性降低了20.5%, 而Ni-Co/TiO₂的活性仅仅降低了10.9%, 这表明Co的引入能够提高其活性稳定性.

关键词: 二氧化碳加氢反应, 镍-钴/二氧化钛, 二氧化碳吸附, 二氧化碳活化, 甲烷

Abstract:

The Ni-Co/TiO₂ catalysts were synthesized via an excess-solution impregnation method and fully characterized XRD， FESEM， EDS， TEM， XPS and N₂ adsorption-desorption tests. In CO₂ hydrogenation reaction for 3 h， Ni-Co/TiO₂ catalyst exhibited a CH₄ production of 84.4 μmol， which was enhanced by 46.3%， compared with Ni/TiO₂. Results of CO₂-TPD and H₂-TPR demonstrated that the introduced Co can facilitate the adsorption and activation of CO₂ molecules to contribute to the CO₂ hydrogenation reaction. In the activity stability tests for 5 cycles， the yield of CH₄ was reduced by 20.5% over Ni/TiO₂， while that over Ni-Co/TiO₂ was only by 10.9%， revealing that the introduced Co can also enhance the catalytic stability for the reaction. This study may provide some guidance for the design and synthesis of high-efficiency catalysts for CO₂ hydrogenation.

Key words: CO₂ hydrogenation reaction, Ni-Co/TiO₂, CO₂ adsorption, CO₂ activation, CH₄

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

王兆宇, 陈益宾, 程锦添, 张明文. Ni-Co/TiO₂增强CO₂加氢反应性能的研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(11): 20230308.

WANG Zhaoyu, CHEN Yibin, CHENG Jintian, ZHANG Mingwen. Promotional Effect of Ni-Co/TiO₂ Catalysts on CO₂ Hydrogenation. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(11): 20230308.

图/表 12

Fig.1 XRD patterns of TiO2, Ni/TiO2 and Ni⁃Co/TiO2

Fig.2 SEM images of the Ni/TiO2(A) and Ni⁃Co/TiO2(B)

Fig.3 Mapping images(A) and EDS(B) spectrum of the Ni⁃Co/TiO2 catalyst

Fig.4 TEM images(A, B) and the corresponding particle size distributions(A′, B′) of Ni/TiO2(A, A′) and Ni⁃Co/TiO2(B, B′)

Fig.5 XPS survey spectrum of Ni⁃Co/TiO2, XPS spectra of Ni2p (B, F), Co2p (C), Ti2p (D, G), O1s (E, H) of the Ni⁃Co/TiO2(A—E) and Ni/TiO2(F—H) sample

Fig.6 N2 adsorption⁃desorption isotherms of the Ni/TiO2 and Ni⁃Co/TiO2

Fig.7 CH4 evolution rate over Ni⁃Co/TiO2 with different Co contents(A) and CH4 yield over TiO2, Ni/TiO2 and Ni⁃Co/TiO2 as a function of reaction time(B)

Fig.8 CO2⁃TPD profiles for Ni/TiO2 and Ni⁃Co/TiO2

Fig.9 H2⁃TPR profiles for TiO2, Ni/TiO2 and Ni⁃Co/TiO2

Table 1 Metal dispersion, textural and Ni doping percentage of the catalyst and TOF at 180 ℃

Catalyst	Ni content（%）	Metal surface area/（m²·g^‒1）	Metal disperation（%）	TOF/min^‒1
Ni/TiO₂	8.96	12.20	1.83	0.06
Ni⁃Co/TiO₂	9.25	21.35	3.21	0.05

Fig.10 CH4 yield over Ni/TiO2 and Ni⁃Co/TiO2 as a function of reaction temperature

Fig.11 Cycling runs of Ni/TiO2(A) and Ni⁃Co/TiO2(B) for CO2 hydrogenation

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Ni-Co/TiO₂增强CO₂加氢反应性能的研究

Promotional Effect of Ni-Co/TiO₂ Catalysts on CO₂ Hydrogenation

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