научная статья по теме НИКЕЛЕВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО НИКЕЛЯ ДЛЯ РЕАКЦИИ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА Химия

Текст научной статьи на тему «НИКЕЛЕВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО НИКЕЛЯ ДЛЯ РЕАКЦИИ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА»

КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2008, том 49, № 3, с. 449-456

УДК 542.933:547.211:546.74

НИКЕЛЕВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ИА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО НИКЕЛЯ ДЛЯ РЕАКЦИИ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА

© 2008 г. 3. А. Сабирова, М. М. Данилова, В. И. Зайковский, Н. А. Кузин, В. А. Кириллов, Т. А. Кригер, В. Д. Мещеряков, Н. А. Рудина, О. Ф. Бризицкий*, Л. Н. Хробостов*

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск *РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров E-mail: sabirova@catalysis.nsk.su Поступила в редакцию 17.10.2006 г.

Методами рентгенографии, низкотемпературной адсорбции азота и электронной микроскопии в сочетании с рентгеноспектральным микроанализом исследовано влияние условий синтеза на фазовый состав и текстуру носителей на основе пористого никеля, взятого в виде пластин, с нанесенной подложкой оксида магния, а также изучены нанесенные на них никелевые катализаторы. Показано, что при термической обработке Mg(NO3)2 в азоте формируется подложка оксида магния с невысокой удельной поверхностью (носитель I); замена азота на водород приводит к увеличению поверхности (носитель II). Установлено, что в процессе формирования MgO происходит внедрение №2+-ка-тионов из оксидной пленки в подложку, которые при последующем восстановлении в водороде или под воздействием реакционной среды образуют дисперсные кристаллиты никеля. Найдено, что носители с оксидной подложкой характеризуются более высокой активностью в реакции паровой конверсии метана относительно исходного металлического никеля. Нанесенные на носители I и II никелевые катализаторы имеют близкую активность. При испытаниях в реакции длительностью 50 ч активность катализаторов стабильна; методом ПЭМ не обнаружено образования отложений углерода.

Одним из наиболее предпочтительных способов получения синтез-газа является паровая конверсия метана. Для осуществления эндотермической реакции паровой конверсии метана необходим интенсивный перенос тепла от внешнего источника в зону реакции. В связи с этим используемые катализаторы должны обладать высокой теплопроводностью. Наиболее перспективно применение катализаторов на металлических носителях. Опубликован ряд работ, в которых осуществляли реакцию паровой конверсии метана с использованием катализаторов на основе металлических носителей [1-4]. В работе [1] представлены результаты испытаний никелевого композитного катализатора, армированного сеткой из нержавеющей стали, получаемого спеканием порошков металлического никеля и нанесенного никелевого катализатора с добавкой оксида хрома. В работах [2, 3] опробован катализатор паровой конверсии метана, состоящий из пористого никелевого носителя с оксидной подложкой и нанесенного никеля; в патенте [4] предложен катализатор, полученный нанесением никеля на пористый нихром с подложкой из диоксида циркония; в работе [5] предлагается способ получения композитного катализатора паровой конверсии метана, состоящий в капсулировании частиц никелата лантана в металлокерамике, получаемой гидротермальным окислением порошкообразного алюминия.

В качестве носителя никелевого катализатора паровой конверсии метана часто используют оксид магния. Он обладает высокой термостабильностью, снижает зауглероживание вследствие основных свойств поверхности носителя [6-9], легко образует твердые растворы с оксидом никеля из-за близости структурных параметров, что позволяет получить дисперсные кристаллиты никеля [6, 10].

В настоящей работе рассмотрено влияние условий приготовления на фазовый состав и текстуру носителей на основе пористого никеля с подложкой оксида магния и исследованы каталитические свойства приготовленных катализаторов в реакции паровой конверсии метана.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для приготовления никелевых катализаторов в качестве носителя использовали пористый никель (п№) в виде пластин толщиной 1 мм, полученный методом проката [11], с величиной удельной поверхности 0.13 м2/г. Нанесение подложки оксида магния (5 вес. %) проводили методом пропитки раствором М§(К03)2 с последующими сушкой и прокаливанием при 550°С в токе N (носитель I) или Н2 (носитель II); нанесение никеля -раствором №(К03)2 с последующими сушкой и

Таблица 1. Значения параметра элементарной ячейки М§0 в катализаторах

Катализатор аMg0, А

п№ + 5.0% Mg0 (I) 4.206

п№ + 5.0% Mg0 (II) 4.218

5.0% №/(п№ + 5.0% Mg0) (I) 4.201

7.2% №/(п№ + 5.0% Mg0) (II) 4.205

8.7% №/(п№ + 5.0% Mg0) (II) 4.194

прокаливанием при 450°С в токе N2. Катализаторы восстанавливали в токе Н2 при 750°С. Содержание никеля в восстановленном катализаторе составляло 5-9 вес. %.

Удельную поверхность и распределение пор по радиусам определяли методом низкотемпературной адсорбции азота при 77 К на прецизионном приборе АСАР-2400 МюгошйгШез. Для ряда образцов определение суммарного объема пор и распределения пор по радиусам было выполнено с помощью метода ртутной порометрии. Морфологию частиц исследовали методами сканирующей (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на приборах РЭМ-100У и ШМ-2010 с разрешением по решетке 0.14 нм; рентге-носпектральный микроанализ (ЕБХ) ряда образцов проводили с использованием энергодисперсионного спектрометра ББАХ с 81(Ы)-детектором, имеющим разрешение по энергиям 130 эВ.

Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли по дифракционной картине, снятой на приборе Ж-4 (монохроматическое излучение СиА^).

Активность катализаторов в реакции паровой конверсии метана определяли проточно-циркуляционным методом при атмосферном давлении, мольном отношении Н20/СН4 = 2.0, температуре

Объем пор, см3/г

^ г, [А]

Рис. 1. Распределение объема пор по радиусам: 1 -п№; 2 - п№ + 5.0% Mg0 (II); 3 - 7.2% №/(п№ + 5.0% МвО) (II).

750°С, скорости подачи исходной смеси - 11.8 л/ч с использованием реактора из нержавеющей стали (объем 34 см3, диаметр 22 мм). Катализаторы на основе пористого никеля испытывали в виде пластин (размер пластин 20 х 35 х 1 мм, объем 0.7 см3) и фракции (0.25-0.50 мм, навеска 0.80 г); промышленный катализатор НИАП-18 [12] - в виде фракции (0.25-0.50 мм, навеска 0.80 г) и в виде 1/2 натурального зерна (полый цилиндр с внешним диаметром 1.50 см, внутренним - 0.6 см, высотой 0.48 см, объем 0.7 см3). Перед измерением активности образцы восстанавливали в токе Н2 при 750°С 1 ч, затем водород заменяли на реакционную смесь и после выдержки в течение 1 ч в реакционной смеси проводили измерения. Состав реакционных смесей анализировали хроматографи-чески. Определение каталитической активности пустого реактора показало, что величина конверсии составляет менее 1%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Фазовый состав и текстура

Методом РФА в металлическом носителе фиксируется фаза никеля, в носителе I - дополнительно фазы N10 и Mg0 с параметром элементарной ячейки (п.э.я.) 4.206 А (табл. 1), что может свидетельствовать об образовании твердого раствора №0 в Mg0; кроме того, в образце присутствуют следовые количества фазы предшественника Mg0, по-видимому, гидроксонитрата магния, на что указывают очень слабые дифракционные максимумы. В носителе По обнаруживаются фазы N1 и Mg0 с п.э.я. 4.218 А. В восстановленных катализаторах (750°С, Н2), содержащих 5.0-8.7 вес. % N1, нанесенного на носители I и II, присутствуют фазы никеля и твердого раствора N10 в Mg0 с п.э.я. существенно меньшим, чем для чистого Mg0 (табл. 1). По справочным данным п.э.я. Mg0 составляет 4.211 А [13], №0 - 4.177 А [14]. Тот факт, что после восстановительной обработки (750°С, Н2) обнаруживается твердый раствор NixMg1 - х0, обусловлен более трудным восстановлением №2+-кати-онов, встроенных в решетку трудновосстанавлива-емого Mg0 (магний имеет более высокую теплоту образования оксида относительно никеля [15]). Повышение температуры восстановления N10 при образовании твердого раствора NixMg1 - х0 показано в работах [6-10].

Металлический носитель имеет крупнопористую структуру с небольшим суммарным объемом пор: по данным ртутной порометрии основной объем пор приходится на поры радиусом от 5 до 30 мкм (рис. 1). Крупнопористый характер носителя подтверждается данными СЭМ (рис. 2): носитель представляет собой материал с корпускулярной пористой структурой, образованной срос-

Рис. 2. Электронный снимок (ПЭМ) пористого металлического никеля.

шимися в местах контактов кристаллическими блоками округлой формы с размером 3-10 мкм.

Согласно результатам СЭМ подложка оксида магния образует рыхлый пористый слой толщиной 2-3 мкм, полностью покрывающий стенки пор. В носителе II подложка М§0 по данным низкотемпературной адсорбции азота имеет тонкие поры со средним диаметром 40-80 А (рис. 3); величина удельной поверхности составляет 7.7 м2/г (табл. 2). Замена водорода на сухой азот приводит к резкому уменьшению доли тонких пор и величины удельной поверхности (до 0.8 м2/г) (рис. 3, табл. 2). Возможными причинами наблюдаемого изменения удельной поверхности являются: во-первых, неполнота разложения исходного М§(К03)2 в токе N при небольшой длительности прокаливания [16] по сравнению с разложением в водороде (более высокую интенсивность дегидратации гид-роксида хрома в токе водорода относительно азота наблюдали в работе [17]); во-вторых, формирование в токе водорода структуры поверхности с большей степенью дефектности; в-третьих, в токе водорода вследствие высокой скорости диффузии водорода более резко снижается содержание водяного пара в порах и замедляется спекание частиц М§0.

По данным ПЭМ подложка М§0 в носителяхо I и II состоит из агрегатов размером 500-1500 А, образованных первичными частицами размером 20-70 А. На ПЭМ-изображениях в подложке М§0 (I и II) не обнаружено отдельных никелевых частиц зао исключением редких крупных частиц (~1000 А), по-видимому, отделенных от металлического носителя при препарировании образца. В носителях I и II никель обнаруживается на ББХ-спектрах от М§0 в виде слабых по интенсивности спектральных линий, соответствующих содержанию никеля ~2 ат. % (рис. 4а, б). Интенсивности линий никеля на спектрах ББХ от разных участков М§0 отличаются, что свидетельствует о разной степени взаимодействия М§0 с N10 из оксидной пленки в процессе прогревания. Можно пола-

dV/dD, см: 0.00018

0.00016

0.00014

0.00012

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком