论文摘要
乙醇水蒸气重整制氢相对于传统制氢有着资源可再生、整体CO2零排放等优点,是未来H2的理想载体。目前对于乙醇水蒸气重整反应催化剂,有大量的研究报道,但其反应机理存在着反应机理复杂、涉及产物较多、反应易被其他因素影响等诸多问题,使得各个催化剂上的反应机理各不相同。基于此点,本文使用较为基础的ZnO催化剂以及Al2O3载体,通过浸渍法合成出了一系列ZnO/Al2O3以及Pd、Ag促进ZnO/Al2O3催化剂,并通过一系列物理表征手段研究了各种因素对催化剂结构与性能的影响,测试了其乙醇水蒸气重整反应活性,并提出了详细的反应机理,最终建立了动力学模型,印证了提出机理的合理性,为进一步的深入研究奠定了理论基础。使用不同种类的γ-Al2O3以及不同的焙烧温度制备了ZnO/Al2O3催化剂,得到制备条件对催化剂性能影响的结果是:Al2O3粉末载体优于含碳Al2O3颗粒载体,载体焙烧温度700°C优于500°C。使用不同颗粒大小的ZnO/ Al2O3催化剂,发现催化剂颗粒大小在60-120 mesh （125-250μm）时,既可忽略内传质对催化剂性能的影响,又能使反应满足平推流假设条件,为进一步系统实验奠定了基础。对于不同ZnO负载量的ZnO/Al2O3催化剂,当ZnO负载量低于10 wt%时, ZnO晶粒大小小于5 nm。乙醇水蒸气重整活性评价显示,其主要产物为H2、CH3CHO、C2H4、CH3COOH、CO2以及CH3COCH3。所有催化剂均在反应160 min以前出现失活,TG-DSC-MS实验证实这是由于催化剂积碳引起的。当ZnO负载量低于6%时,C2H5OH转化率随ZnO负载量的增加而下降。当ZnO负载量超过6%时,C2H5OH转化率随ZnO负载量的增加而上升。当ZnO负载量达到10%时,C2H5OH转化率达40%,H2选择性达到最高的40%。增加反应物中乙醇水蒸气摩尔比,C2H5OH转化率下降,乙醇水蒸气摩尔比在1:3时H2产率达到最大。C2H5OH转化率以及H2选择性随催化剂接触时间增加而升高,在接触时间达到0.38 kg/（mol/s）时H2产率达最大的55μmol/kg/s。提高反应温度可以明显提高C2H5OH转化率以及H2生成速率,但副反应亦明显增强。反应温度过高还可能引起催化剂大量积炭而失活。Pd、Ag促进ZnO/Al2O3催化剂上贵金属晶粒大小小于5 nm。乙醇水蒸气重整活性评价显示,Pd、Ag促进ZnO/ Al2O3催化剂上C2H5OH转化率以及H2产量明显高于ZnO/ Al2O3催化剂,并且CH3COOH以及C2H4产量明显降低。对于Pd、Ag促进催化剂,两者对催化剂性能的影响是Pd优于Ag。两种催化剂在反应160 min内出现失活,同样可能是由于催化剂积碳引起。TG-DSC-MS实验证实Ag促进催化剂存在两种积炭,且积炭量高于Pd。Pd、Ag促进ZnO/ Al2O3催化剂上,乙醇水蒸气重整反应的主产物为H2、CH3CHO、C2H4、CH3COOH、CO以及CH3COCH3。CH3CHO在Pd、Ag催化剂上更倾向于发生C-C键断裂反应,生成CH4以及CO。CH3CHO、CH3COOH、CH3COCH3在ZnO/Al2O3催化剂上重整实验显示,CH3CHO仅在高于500°C的反应温度存在活性,产物为CH4、CO以及CH3COCH3,在450°C转化率为0%。CH3COOH在450°C-550°C均转化为CH3COCH3以及CO2,而CH3COCH3在450°C-550°C没有任何反应活性。FTIR实验结果显示,在ZnO/Al2O3催化剂上乙醇水蒸气重整反应过程中,存在乙氧基物质、双式或桥式吸附的乙酸物质以及含C=O和C=C物质。乙醇水蒸气重整反应在ZnO/ Al2O3催化剂上的详细机理包含:C2H5OH脱氢生成CH3CHO、CH3CHO氧化生成CH3COOH、CH3COOH分解生成CH3COCH3以及C2H5OH脱水副反应等步骤。2 wt% Ag/ Al2O3催化剂没有任何产H2活性,故ZnO在Pd、Ag促进ZnO/ Al2O3催化剂中起着预先吸附反应物、触发反应的重要作用。在推出ZnO/Al2O3催化剂上乙醇水蒸气重整反应机理的基础上,建立了完整的动力学模型,并使用Langmuir-Hinshelwood模型,写出了总反应速率的表达式,解出了总反应速率表达式中各个平衡常数数值。对比总反应的反应速率以及C2H5OH转化率的预测结果和实验结果,两者相关系数均大于0.93。