甲烷化催化剂及反应机理的研究进展

作者:未知

  摘 要:甲烷化反应的主要原理是将CO和CO2在特定反应环境和催化剂作用下转换为CH4。在该化學反应中,催化剂起到了非常关键性的作用。目前市场上用于甲烷化反应的催化剂主要有Ni基催化剂、贵金属催化剂以及非晶态催化剂,不同种类的催化剂在实际应用中各有优劣,工作人员可以根据甲烷生产作业的具体环境条件和生产效率要求来选择催化剂的种类,提高甲烷的生产效率。
  关键词:甲烷化反应;催化剂;反应机理
  甲烷化反应是目前市场上批量生产甲烷气体的重要反应之一,该反应在很多甲烷生产企业中都有着广泛地应用,为了可以进一步提高工业生产中甲烷物质的生产效率,工作人员对甲烷化反应中所涉及到的催化剂以及反应机理等内容展开了相应的探究和试验。
  1 甲烷化反应概述
  甲烷化反应主要是指氢气、一氧化碳、二氧化碳等物质在特定温度和催化剂的作用下生成甲烷和水,该反应主要用于制作甲烷,其主要反应特点表现为体积快速缩小、放出大量热量等。
  2 催化剂分析
  2.1 Ni基催化剂
  Ni基催化剂主要是以某一氧化物作为载体在化学反应中发挥出较强的催化作用,常见载体主要有以下几种:第一,Al2O3载体,该催化载体主要应用于工业生产中,其表面积相对来说较大,且孔隙率高。工作人员在使用Al2O3载体进行Ni基的催化反应时,常常会在催化剂中添加适量的稀土元素,这样可以在一定程度上提高该催化剂在高温环境中的稳定性;第二,SiO2载体,该催化载体的应用优势主要体现在其具有良好的孔隙结构,其缺点在于机械性较弱,因此工作人员可以在该类型催化剂中加入其它活性较强的载体,从而进一步加强该催化剂的活性,提高催化效率[1];第三,ZrO2载体,从化学性质上来划分,该类型的载体属于过渡型氧化物,其内部组分之间在特定的条件下会产生电子作用力,根据相关试验研究结果我们可以得知,以ZrO2为载体的催化剂在甲烷化反应中所体现出的催化效率非常高,但是其制作成本也较高,因此还未得到进一步地推广。
  2.2 贵金属催化剂
  除了Ni基催化剂之外,贵金属催化剂也常常被用于催化甲烷化反应,并且在实际应用中也取得了不错的成效,该类型催化剂中比较常见的贵金属有Ru金属和Rh金属,不同的贵金属种类之间有着不同的作用效果,工作人员可以结合甲烷反应的具体情况进行选择。贵金属催化剂中Ru催化剂的应用范围作为广泛,其应用优势主要体现在具有良好的低温活性,即使在低温环境中也能发挥出良好的催化作用效果。
  2.3 非晶态催化剂
  该类型的催化剂在甲烷化反应中的应用频率较低,其主要是指由一些具有特定顺序的原子结构堆积而成的新材料,由于该类型催化剂长期处于一种亚稳定状态中,因此可以有效地提高甲烷化反应中的反应活性,加快化学反应速率。
  3 反应机理分析
  3.1 以CO为主的甲烷化反应
  CO在甲烷化反应中会在催化剂的作用效果中出现解离现象,以Ni基催化剂为例,CO分子会在Ni基催化剂所产生的催化作用中发生C-O化学键的断裂,当反应物中CO气体的浓度较低时,CO分子和H2分子之间会形成一种竞争关系,其都在不断地争取Ni基催化剂中所含有的活性物质,在这个过程中一共发生了两个化学反应,分别为CO(a)→C(a)+O(a)和C(a)+H(a)→CH4,从这两个反应化学反应式中我们可以明确地看出CO分子先在催化剂作用下解离为C原子和O原子,而C再与H原子相结合生成CH4。在这个过程中,若CO气体的浓度过低或者催化剂的作用效果较弱,则会使得催化效率显著降低。因此工作人员需要根据CO气体的浓度和甲烷化反应的实际环境,选择合适的催化剂,以求可以显著提升甲烷化反应的效率和转化率[2]。
  3.2 以CO2为主的甲烷化反应
  以CO2为主的甲烷化反应与上述的CO甲烷化反应相比多了一个化学反应,CO2气体需要先在催化剂的作用效果下与其他反应物进行反应,生成CO和其他生成物,再通过与H2反应进而生成甲烷CH4。在这个反应过程中CO2会将CO作为中间反应物,仍然以Ni基催化剂为例,在该催化剂的催化作用下,CO2可以在较短的时间内发生分解反应,分解为CO和O2。而CO分子又会被进一步分解为活性炭和氧气,最终C原子与H原子相互结合行为甲烷。其中CO作为该化学反应中的中间物质,其主要是通过水煤气反应制作而成的,CO2在向CO转化的过程中主要会经历以下两种不同的转化途径:第一,CO2-离子与H相结合;第二,CO2分子与H2相结合。上述两种转化途径便是目前甲烷化反应研究领域针对以CO2为主的甲烷化反应比较认可的两种反应机理。
  4 结束语
  随着社会的不断发展,人们对于石油、天然气等资源的需求量越来越大。以石油资源为例,其在燃烧过程中会产生大量对生态环境有污染性的气体,同时其属于不可再生能源,储存量有限,因此甲烷等新型能源逐渐取代了传统能源来满足人们的日常需求。而甲烷化反应作为制作甲烷的主要依据,工作人员需要对该反应的催化剂和反应机理进行熟练的掌握,为我国甲烷资源生产领域的未来发展添加助力。
  参考文献:
  [1]李茂华,杨博,鹿毅等.煤制天然气甲烷化催化剂及机理的研究进展[J].工业催化,2014,22(01):120-124.
  [2]李军,朱庆山,李洪钟.基于甲烷化反应的催化剂颗粒设计与过程强化[J].化工学报,2015,66(08):2773-2783.
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