甲烷化催化劑及反應機理的研究進展

陳玉春

摘 要：甲烷化反應的主要原理是將CO和CO2在特定反應環境和催化劑作用下轉換為CH4。在該化學反應中，催化劑起到了非常關鍵性的作用。目前市場上用于甲烷化反應的催化劑主要有Ni基催化劑、貴金屬催化劑以及非晶態催化劑，不同種類的催化劑在實際應用中各有優劣，工作人員可以根據甲烷生產作業的具體環境條件和生產效率要求來選擇催化劑的種類，提高甲烷的生產效率。

關鍵詞：甲烷化反應;催化劑;反應機理

甲烷化反應是目前市場上批量生產甲烷氣體的重要反應之一，該反應在很多甲烷生產企業中都有著廣泛地應用，為了可以進一步提高工業生產中甲烷物質的生產效率，工作人員對甲烷化反應中所涉及到的催化劑以及反應機理等內容展開了相應的探究和試驗。

1 甲烷化反應概述

甲烷化反應主要是指氫氣、一氧化碳、二氧化碳等物質在特定溫度和催化劑的作用下生成甲烷和水，該反應主要用于制作甲烷，其主要反應特點表現為體積快速縮小、放出大量熱量等。

2 催化劑分析

2.1 Ni基催化劑

Ni基催化劑主要是以某一氧化物作為載體在化學反應中發揮出較強的催化作用，常見載體主要有以下幾種：第一，Al2O3載體，該催化載體主要應用于工業生產中，其表面積相對來說較大，且孔隙率高。工作人員在使用Al2O3載體進行Ni基的催化反應時，常常會在催化劑中添加適量的稀土元素，這樣可以在一定程度上提高該催化劑在高溫環境中的穩定性;第二，SiO2載體，該催化載體的應用優勢主要體現在其具有良好的孔隙結構，其缺點在于機械性較弱，因此工作人員可以在該類型催化劑中加入其它活性較強的載體，從而進一步加強該催化劑的活性，提高催化效率[1];第三，ZrO2載體，從化學性質上來劃分，該類型的載體屬于過渡型氧化物，其內部組分之間在特定的條件下會產生電子作用力，根據相關試驗研究結果我們可以得知，以ZrO2為載體的催化劑在甲烷化反應中所體現出的催化效率非常高，但是其制作成本也較高，因此還未得到進一步地推廣。

2.2 貴金屬催化劑

除了Ni基催化劑之外，貴金屬催化劑也常常被用于催化甲烷化反應，并且在實際應用中也取得了不錯的成效，該類型催化劑中比較常見的貴金屬有Ru金屬和Rh金屬，不同的貴金屬種類之間有著不同的作用效果，工作人員可以結合甲烷反應的具體情況進行選擇。貴金屬催化劑中Ru催化劑的應用范圍作為廣泛，其應用優勢主要體現在具有良好的低溫活性，即使在低溫環境中也能發揮出良好的催化作用效果。

2.3 非晶態催化劑

該類型的催化劑在甲烷化反應中的應用頻率較低，其主要是指由一些具有特定順序的原子結構堆積而成的新材料，由于該類型催化劑長期處于一種亞穩定狀態中，因此可以有效地提高甲烷化反應中的反應活性，加快化學反應速率。

3 反應機理分析

3.1 以CO為主的甲烷化反應

CO在甲烷化反應中會在催化劑的作用效果中出現解離現象，以Ni基催化劑為例，CO分子會在Ni基催化劑所產生的催化作用中發生C-O化學鍵的斷裂，當反應物中CO氣體的濃度較低時，CO分子和H2分子之間會形成一種競爭關系，其都在不斷地爭取Ni基催化劑中所含有的活性物質，在這個過程中一共發生了兩個化學反應，分別為CO（a）→C（a）+O（a）和C（a）+H（a）→CH4，從這兩個反應化學反應式中我們可以明確地看出CO分子先在催化劑作用下解離為C原子和O原子，而C再與H原子相結合生成CH4。在這個過程中，若CO氣體的濃度過低或者催化劑的作用效果較弱，則會使得催化效率顯著降低。因此工作人員需要根據CO氣體的濃度和甲烷化反應的實際環境，選擇合適的催化劑，以求可以顯著提升甲烷化反應的效率和轉化率[2]。

3.2 以CO2為主的甲烷化反應

以CO2為主的甲烷化反應與上述的CO甲烷化反應相比多了一個化學反應，CO2氣體需要先在催化劑的作用效果下與其他反應物進行反應，生成CO和其他生成物，再通過與H2反應進而生成甲烷CH4。在這個反應過程中CO2會將CO作為中間反應物，仍然以Ni基催化劑為例，在該催化劑的催化作用下，CO2可以在較短的時間內發生分解反應，分解為CO和O2。而CO分子又會被進一步分解為活性炭和氧氣，最終C原子與H原子相互結合行為甲烷。其中CO作為該化學反應中的中間物質，其主要是通過水煤氣反應制作而成的，CO2在向CO轉化的過程中主要會經歷以下兩種不同的轉化途徑：第一，CO2-離子與H相結合;第二，CO2分子與H2相結合。上述兩種轉化途徑便是目前甲烷化反應研究領域針對以CO2為主的甲烷化反應比較認可的兩種反應機理。

4 結束語

隨著社會的不斷發展，人們對于石油、天然氣等資源的需求量越來越大。以石油資源為例，其在燃燒過程中會產生大量對生態環境有污染性的氣體，同時其屬于不可再生能源，儲存量有限，因此甲烷等新型能源逐漸取代了傳統能源來滿足人們的日常需求。而甲烷化反應作為制作甲烷的主要依據，工作人員需要對該反應的催化劑和反應機理進行熟練的掌握，為我國甲烷資源生產領域的未來發展添加助力。

參考文獻：

[1]李茂華，楊博，鹿毅等.煤制天然氣甲烷化催化劑及機理的研究進展[J].工業催化，2014，22（01）：120-124.

[2]李軍，朱慶山，李洪鐘.基于甲烷化反應的催化劑顆粒設計與過程強化[J].化工學報，2015，66（08）：2773-2783.