制備方法對Ni基甲烷化催化劑活性和抗硫性能的影響

秦志峰，韓 勛，班紅艷，孫鵬程，劉 毅，李聰明，常麗萍，謝克昌

(1.太原理工大學 煤科學與技術教育部與山西省重點實驗室，太原 030024；2.山西省環境規劃院博士后科研工作站，太原 030002；3.清華大學 環境科學與工程博士后流動站，北京 100084)

天然氣作為一種清潔高效的能源，2017年進口比例高達39%，隨著城市化進程的加快，其缺口將不斷增大[1-2]。焦爐煤氣富含H2、CH4、CO、CO2等組分，通過甲烷化合成天然氣既能改善國內天然氣短缺的現狀，又因其具有工藝流程短、投資小、能量利用率高及經濟效益好等優勢，是焦爐煤氣資源化利用的最佳方式，符合我國的循環經濟發展理念，具有良好的發展前景[3-5]。

焦爐煤氣除含有有效組分外，還含有H2S等多種形態硫化物，在合成天然氣過程中，硫與催化劑中的鎳會形成較強的配位鍵作用，可以穩定地吸附在活性金屬Ni表面，破壞催化劑表面活性位，阻止或者改變反應物分子進一步吸附，從而使催化劑活性下降導致失活[6-7]。為了提高鎳基甲烷化催化劑的活性，助劑的選擇、載體的選擇和制備方法的選擇已成為研究的重點[8-10]。制備方法與催化劑活性和選擇性有直接關系，HU et al[9]等將活性組分Ni浸漬于不同比表面積的Al2O3載體上，研究發現活性金屬Ni在比表面積較大的載體上分散度較高，Ni晶粒的尺寸也較小。而沉淀法制備催化劑過程中，其活性組分與載體之間能夠產生較強的相互作用力，使活性組分均勻分散，有利于形成更細小尺寸的金屬顆粒[10-11]，在反應過程中表現出較好的催化性能。為此，本文采用水解共沉淀法分別制備了20Ni-Al2O3催化劑和高比表面積的Al2O3載體，然后以高比表面積的Al2O3為載體采用傳統浸漬法制備20Ni/Al2O3催化劑進行對比研究，在固定床微反應裝置中考察鎳基催化劑的CO甲烷化活性和抗硫性能，并利用H2化學吸附、N2吸附、XRD、H2-TPR、Raman以及XPS表征手段探討催化劑的構效關系。

1 實驗

1.1 催化劑制備

1.1.1沉淀法催化劑制備[12-13]

1.1.2浸漬法催化劑制備

1.2 催化劑活性評價

在微型固定床反應裝置中考察鎳基甲烷化催化劑的低溫活性和抗硫性能。將0.5 g(40-60目)催化劑樣品裝填于反應管中，在H2氣氛下升溫至550 ℃還原100 min；降溫至200 ℃時通入V(CO)∶V(H2)=1∶3的混合氣體，在p=0.1 MPa、WHSV=20 000 mL·g-1·h-1條件下每隔20 ℃進行數據采集，反應溫度區間200～360 ℃；低溫活性測試完成后催化劑床層溫度升高至550 ℃，每隔30 min脈沖注射0.3 mL的H2S(99.9%)，測試催化劑的抗硫性能。甲烷化反應產物從反應器出口流出，經冷凝、氣液分離、干燥(內裝變色硅膠)進入上海海欣GC-950氣相色譜儀進行在線分析，檢測系統由1個TCD檢測器和1個FID檢測器串聯，由計算機自動釆集數據。色譜分析條件：TDX-1填充柱(2 m×2 mm)，熱導池溫度70 ℃，橋流70 mA，FID檢測器溫度150 ℃，高濃度H2、CO、CH4和CO2采用TCD檢測器測定，低濃度CO、CH4和CO2(現有2%)通過鎳轉化爐采用FID檢測器測定。催化劑性能由CO轉化率(XCO)和CH4收率(YCH4)進行分析，計算公式為：

(1)

(2)

式中：Nin和Nout分別為反應器進口和出口氣體的體積流量，mL/min；yin和yout分別為反應器進口和出口氣體的體積分數。

1.3 催化劑表征

采用浙江泛泰儀器有限公司FINSORB-3010型化學吸附儀對催化劑樣品進行H2化學吸附測試。首先將200 mg(40-60目)催化劑樣品置于石英樣品管中，在Ar氣氛下10 ℃/min從室溫程序升溫至550 ℃，切換為10%H2-90%Ar混合氣(體積分數)還原60 min后，再切換為Ar吹掃冷卻至室溫；設定TCD溫度為60 ℃，橋流為60 mA，通入純H2，氣體流量為20 mL/min，脈沖8次吸附至飽和，由TCD檢測H2吸附量。依據催化劑表面Ni晶粒的H2吸附量計算Ni的分散度和催化劑活性金屬表面積，假設表面的每個Ni原子化學吸附一個氫原子(H/Nisurface=1).催化劑的活性金屬比表面積Scat和金屬分散度DNi分別根據以下公式計算得出：

(3)

(4)

式中：化學計量系數Sf=2；Vads表示吸附量，mL/g；標況下H2氣體摩爾體積Vg=22 414 mL/mol；阿伏伽德羅常數Na=6.023×1023mol-1；金屬Ni的摩爾質量M=58.69 g/mol；w表示Ni的質量分數，%；金屬Ni原子的面積σm=6.49×10-20m2.

采用湖南三德科技股份有限公司SDS-IVa定硫儀測試催化劑吸收硫含量，配置電解液：稱取5 g碘化鉀，5 g溴化鉀，溶于250 mL蒸餾水中，然后加10 mL冰醋酸攪拌均勻；燃燒爐升溫到1 150 ℃后，打開電解池上方的橡皮塞，將電解液加入，塞緊橡膠塞以防漏氣；開動攪拌，緩慢調節攪拌調節旋鈕至適當速度；稱取(50±0.2)mg的硫中毒催化劑樣品在瓷舟上，上面覆蓋一層三氧化鎢，將瓷舟放入石英舟上，輸入樣重，按下開始按鈕，試樣經燃燒后，庫倫滴定自動進行，計算公式如下：

(5)

式中：S為全硫含量(質量分數)，%；Q為電量，C；m為試樣質量，g.

采用北京金埃譜科技有限公司V-Sorb4800P型物理吸附儀對催化劑樣品的比表面積、孔體積和孔徑進行測定。樣品測定前經過300 ℃真空脫氣處理4 h，在77.4 K下測試N2吸附脫附等溫線，采用BET方程和BJH公式計算得到樣品比表面積、孔體積及孔徑分布。

采用浙江泛泰儀器有限公司FINSORB-3010型化學吸附儀對催化劑樣品進行H2-TPR，在Ar氣氛下升溫至100 ℃進行預處理，隨后通入10%H2-90%Ar混合氣，以10 ℃/min程序升溫至900 ℃，進行催化劑的還原，由TCD檢測H2吸附量。

采用日本理學的Rigaku Mini Flex 600型X射線衍射儀對催化劑的晶體結構進行測定。測試條件為Cu靶Kα射線，管電壓40 kV，管電流15 mA，步長0.02°，掃描速率10 (°)/min，掃描范圍5°～85°.

XPS使用Thermal VG公司生產的Escalab Xi+型X射線光電子能譜分析儀進行測試，測試前將催化劑樣品的一小塊裝入雙粘膠帶上放入真空室進行分析，采用單色Al Kα射線源，先對催化劑上所有元素進行全譜掃描，然后對活性組分Ni、Mo、P進行窄譜掃描，在分析過程中采用外來污染碳的C1s作為基準峰對樣品進行荷電校正，以測量值和參考值(284.8 eV)之差作為荷電校正值(Δ)來校正譜中其他元素結合能。

2 結果和討論

2.1 低溫性能評價

圖1為浸漬法和水解沉淀法制備的鎳基甲烷化催化劑的活性評價結果。如圖1所示，隨著反應溫度的升高，CO轉化率和CH4收率逐漸上升。當反應溫度升高至240 ℃時，CO轉化率和CH4收率在水解沉淀法制備的20Ni-Al2O3催化劑上分別達到99%和97%以上；而對于浸漬法制備的20Ni/Al2O3催化劑，CO轉化率達到99%以上時，反應溫度需要升高至280 ℃，同時其CH4收率僅為90%，因此水解沉淀法制備的鎳基甲烷化催化劑有較好的低溫活性。

Reaction condition：V(H2)/V(CO)=3∶1,p=0.1 MPa, WHSV=20 000 mL·g-1·h-1圖1 鎳基催化劑的低溫活性評價Fig.1 Low temperature activity evaluation of nickel-based catalysts

Reaction condition：V(H2)/V(CO)=3∶1,t=550 ℃,p=0.1 MPa,WHSV=20 000 mL·g-1·h-1圖2 鎳基催化劑的抗硫性能評價Fig.2 Evaluation of sulfur resistance of nickel-based catalysts

2.2 抗硫性能評價

催化劑抗硫性能評價是在550 ℃下反應穩定2 h后開始測試，每隔30 min脈沖注入0.3 mL的H2S，直到催化劑活性顯著下降為止，隨后停止注入H2S，每隔30 min再次測試活性。圖2為浸漬法和水解沉淀法制備的鎳基甲烷化催化劑抗硫性能測試結果。從圖中可以看出，當H2S累計脈沖注入達到一定量時，催化劑的活性迅速下降。在20Ni-Al2O3催化劑上，H2S脈沖注入量累計達1.8 mL時，CO轉化率和CH4收率分別下降至18.2%和4.7%，而在20Ni/Al2O3催化劑上，H2S脈沖注入量累計達1.2 mL時，催化劑的活性迅速下降，CO轉化率和CH4收率分別下降至16.1%和4.0%.在催化劑上吸附H2S后CO轉化率和CH4收率下降，至穩定時，20Ni-Al2O3催化劑比20Ni/Al2O3催化劑吸附較多的H2S，因此水解沉淀法制備的鎳基催化劑表現出較好的抗硫性能。

2.3 新鮮催化劑H2化學吸附和吸硫后催化劑全硫測定

表1為新鮮催化劑H2化學吸附測定的催化劑金屬鎳的活性比表面積和分散度及吸硫后催化劑的全硫含量測定。催化劑的活性與活性金屬Ni的表面積有直接關系[12-13]，根據H2吸附量計算催化劑上活性Ni的比表面積和分散度(所有計算均假設一個氫原子吸附在一個表面鎳原子上[14-15])。從表中看出，20Ni-Al2O3催化劑的H2吸附量為53.76 μmol/g，活性金屬Ni比表面積和分散度分別為4.20 m2/g和4.02%，而20Ni/Al2O3催化劑的H2吸附量僅為15.83 μmol/g，活性金屬Ni比表面積和分散度分別為1.24 m2/g和1.18%，水解沉淀法制備的催化劑的活性金屬Ni表面積和分散度優于浸漬法制備的催化劑，對比分析顯示，催化劑活性金屬Ni表面積與圖1中催化活性的變化趨勢一致，其優越的低溫催化活性可能由于催化劑高的活性Ni表面積所致。根據圖2中20Ni-Al2O3和20Ni/Al2O3催化劑的抗硫性能測試結果計算出催化劑理論吸收硫含量(質量分數)分別為0.51%和0.34%；并通過定硫儀精確測試吸硫催化劑中硫含量(質量分數)分別為0.28%和0.16%，其理論硫含量與實測值差異的主要原因是由于催化劑評價過程中空速大(WHSV=20 000 mL·g-1·h-1)，注入的H2S不能完全被催化劑吸收，但20Ni-Al2O3催化劑吸收硫是20Ni/Al2O3催化劑的1.5倍以上，表明水解沉淀法制備的催化劑抗硫性能優于浸漬法制備的催化劑，原因是水解沉淀制備的催化劑中活性金屬Ni表面積較大，導致其對H2S的吸附容量增加，進一步減緩了催化劑硫中毒，提高了催化劑的抗硫性能。

表1 鎳基催化劑的活性金屬Ni表面積、分散度及其吸收H2S后全硫測定Table 1 Surface area, dispersion of active metal Ni, and total sulfur after H2S absorption of nickel based catalysts

2.4 N2吸附

對制備的Al2O3載體、20Ni/Al2O3和20Ni-Al2O3進行了N2吸附表征。圖3為鎳基催化劑樣品的N2吸脫附等溫線和孔徑分布曲線。從圖中可以看出，水解沉淀法和浸漬法制備的鎳基催化劑樣品吸脫附等溫線均屬于Ⅳ型等溫線，表明兩種催化劑均具有典型的中孔材料特征[16]；此外，等溫線均具有H4型吸附回滯環，根據de Boer’s理論的解釋，樣品的孔道為分布不規則的狹縫孔[17]。孔徑分布曲線表明，水解沉淀法制備的鎳基催化劑平均孔徑低于浸漬法制備的催化劑。

圖3 鎳基催化劑的N2吸脫附等溫線(a)和和孔徑分布圖(b)Fig.3 (a) N2 adsorption desorption isotherm and (b) pore size distribution of nickel-based catalyst

表2為Al2O3載體和制備的鎳基催化劑的織構參數，從表中可以看出，浸漬法制備催化劑過程中，Al2O3載體的比表面積達326.41 m2/g、孔體積為0.39 cm3/g，負載20%的NiO后，催化劑的比表面積下降至170.23 m2/g、孔體積降至0.24 cm3/g，原因是NiO負載于Al2O3載體表面堵塞載體孔道導致催化劑比表面積、孔徑大幅下降；而水解沉淀法制備的催化劑比表面積和孔體積分別達到258.96 m2/g和0.29 cm3/g，通過比較20Ni-Al2O3和20Ni/Al2O3催化劑的物性參數，表明催化劑的制備方法對其物理結構影響較大。

表2 鎳基催化劑物理特性Table 2 Physical characteristics of nickel-based catalysts

2.5 H2-TPR

為了分析催化劑表面NiO和Al2O3間的相互作用力，對催化劑進行程序升溫還原。圖4為鎳基催化劑的H2-TPR譜圖。根據文獻報道[18-22]，H2-TPR曲線可以按還原溫度分為以下三個區域：區域Ⅰ為游離態α-NiO，其與載體的相互作用較弱或者無相互作用；區域Ⅱ為高度分散的β-NiO，其與載體之間的相互作用較強，介于游離態α-NiO和尖晶石結構NiAl2O4相之間，β1代表包含在Al3+中的鎳富相，NiO物種易被還原，而β2代表Ni2+中的鋁富相，NiO還原性較差；區域Ⅲ為尖晶石結構NiAl2O4的固定相γ-NiO，其與載體的相互作用力最強，NiO較難移動且較難還原。

由圖4可以看出，與20Ni/Al2O3催化劑相比，20Ni-Al2O3催化劑中β1-NiO、β2-NiO以及NiAl2O4的固定相γ-NiO的還原峰溫度明顯下降，并且在20Ni-Al2O3催化劑中β1-NiO的相對含量較高，NiAl2O4固定相γ-NiO含量較低，在550 ℃下可以完全還原β1-NiO，說明20Ni-Al2O3催化劑中NiO與載體間的相互作用較弱，不易形成NiAl2O4尖晶石結構。而20Ni/Al2O3催化劑中主要形成β2-NiO物種，并且含有少量游離態α-NiO，催化劑表面β1-NiO物種含量少且需要在大于600 ℃下才能完全還原，表明催化劑的制備方法對其表面結構影響較大。表面游離態NiO和弱相互作用的NiO更容易形成較大的晶體顆粒，這是低溫活性的主要鎳物種，這一結論與文獻研究結果一致[23-24]。

圖4 鎳基催化劑H2-TPR譜圖Fig.4 H2-TPR spectra of nickel-based catalysts

2.6 XRD

圖5為Al2O3載體和制備的鎳基催化劑樣品的XRD譜圖。從圖中可以看出，出現在2θ=37.6°、43.3°、62.9°、75.5°和79.5°處的峰為NiO的特征衍射峰(JCPDS No 47-1049)，在2θ=19.4°、31.9°、37.6°、39.5°、45.8°、60.9°、67.1°和85.1°處的衍射峰歸屬于γ-Al2O3(JCPDS No 10-0425),2θ= 37.0°、45.0°、59.6°和65.5°處的衍射峰為NiAl2O4尖晶石特征衍射峰(JCPDS No 10-0339)，此外，由于NiAl2O4的特征衍射峰與γ-Al2O3的衍射線發生部分重疊，因此不能清晰地觀察到NiAl2O4晶相[12,25]，但是H2-TPR表征結果證實催化劑中有少量NiAl2O4晶相存在。20Ni/Al2O3催化劑中NiO的特征衍射峰強度高，說明其NiO的晶粒尺寸變大，而20Ni-Al催化劑中NiO的特征衍射峰強度較弱，說明水解沉淀法制備的鎳基催化劑中NiO的結晶程度較差，分散性較好。

圖5 鎳基催化劑XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of nickel-based catalysts

2.7 Raman光譜

圖6為鎳基催化劑的Raman圖譜。有文獻報道[26-27]，所有Al2O3組成中僅有α-Al2O3晶型可以顯示拉曼光譜，所以拉曼圖譜中不能看到γ-Al2O3的拉曼光譜。NiO拉曼信號[26]出現在430～450 cm-1、550 cm-1、700 cm-1以及1 080 cm-1位置，從拉曼圖譜中可以看出只有在550 cm-1及1 080 cm-1位置上出現NiO拉曼信號，其代表表面高分散的金屬NiO.可以明顯看出，20Ni-Al2O3催化劑在550 cm-1及1 080 cm-1處特征譜峰強度明顯強于20Ni/Al2O3催化劑，表明水解沉淀法制備的鎳基催化劑表面可還原的NiO含量較多，以上分析結果與XRD、H2-TPR和H2化學吸附表征結果一致。

圖6 鎳基催化劑Raman譜圖Fig.6 Raman spectra of nickel-based catalysts

2.8 XPS

圖7為鎳基催化劑的Ni2p3/2、Al2p和O1s譜。圖中顯示，催化劑樣品的Ni2p3/2譜中主峰值(BE～855.5 eV)與衛星峰值相距～6 eV[28]，處于NiO結合能(854.1 eV[29])和NiAl2O4結合能(856.2 eV[30])之間，這表明Ni2+和Al3+有相互作用并且它們之間存在亞穩相的結構[31]。表3為催化劑表面元素結合能，可以看出，催化劑20Ni-Al2O3中Ni2p3/2、Al2p和O1s的結合能小于催化劑20Ni/Al2O3中的結合能，說明鎳物種和載體的作用力較弱，與H2-TPR表征結果一致。對表3中催化劑表面Ni和Al元素含量比例進行分析發現，水解沉淀法制備的催化劑20Ni-Al2O3中n(Ni)∶n(Al)比例為24.07%，大于浸漬法制備的催化劑20Ni/Al2O3的n(Ni)∶n(Al)比例10.14%，表明水解沉淀法制備的催化劑表面Ni含量高產生較多的活性位，分析結果與H2化學吸附表征結果一致，進一步證明催化劑表面較多的Ni活性位對低溫甲烷化活性和H2S的吸附量有顯著提高。

圖7 鎳基催化劑表面Ni2p3/2、Al2p和O1s的XPS譜圖Fig.7 XPS spectra of Ni2p3/2, Al2p, and O1s on nickel-based catalysts surfaces

表3 催化劑表面元素的結合能及金屬元素含量比例Table 3 Binding energies of various elements and surface atomic ratio of the metal elements in nickel-based catalysts by XPS

3 結論

采用浸漬法和水解沉淀法制備NiO質量分數為20%的鎳基催化劑，在固定床微反應裝置上進行CO甲烷化反應的活性和抗硫性能評價，對于20Ni-Al2O3催化劑，在操作條件(t=240 ℃、p=0.1 MPa、WHSV=20 000 mL·g-1·h-1)下，CO轉化率和CH4收率分別達到99%和97%以上，當反應溫度升高至550 ℃穩定反應后，H2S脈沖注入量累計達1.8 mL時，CO轉化率和CH4收率分別下降至18.2%和4.7%；而對于20Ni/Al2O3催化劑，CO轉化率達到99%以上時，反應溫度需要升高至280 ℃，H2S脈沖注入量累計僅1.2 mL時，CO轉化率和CH4收率則迅速下降至16.1%和4%，因此水解沉淀法制備的20Ni-Al2O3催化劑表現出較好的低溫活性和抗硫性能；通過表征發現水解沉淀法制備的20Ni-Al2O3催化劑比表面積大和NiO分散度高，其表面Ni的活性比表面積較大，產生更多的活性位，導致其低溫活性較高，對H2S的吸附量增加減緩硫中毒，提高了催化劑的抗硫性能。