[发明专利]一种石墨烯气凝胶负载镍的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种石墨烯气凝胶负载镍的催化剂及其制备方法和应用。本发明的石墨烯气凝胶负载镍的催化剂，以质量百分比计，包含以下组份：石墨烯气凝胶55～99％、镍1～45％。从石墨烯出发，用水热法可制备其三维材料石墨烯气凝胶(GA)，石墨烯气凝胶具有大的比表面积，表面缺陷，表面含氧官能团以及高填充密度等。GA比GO有更多的三维大孔，增加了催化剂的位阻效应，有利于催化反应，提高了催化剂的活性。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体是涉及一种石墨烯气凝胶负载镍的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

二氧化碳的甲烷化利用被认为是解决CO₂排放问题的有效途径之一。目前，甲烷化催化剂主要有贵金属Ru基和非贵金属Ni基催化剂。其中Ni基催化剂价廉易得，选择适当的载体和较佳的制备工艺时，其甲烷化活性可基本与Ru基催化剂相当甚至更好，是当前应用最广泛的商用甲烷化催化剂。但常规的Ni基催化剂存在活性组分难还原、催化活性低、反应温度较高、稳定性差等问题。活性组分的分散度是影响催化剂催化性能的重要因素之一，而载体结构和比表面积又是影响活性组分分散度的主要因素(Chem.Soc.Rev.,2011,40,3703–3727)。常用催化剂的载体以金属氧化物为载体为主，如SiO₂,Al₂O₃,CeO₂等。

石墨烯(GO)由C原子sp²杂化的六元环组成，有很多优异的理化性能，具有成为优异催化剂载体的潜力。但是利用石墨烯作为催化剂载体时依然存在以下问题：负载的金属颗粒较大，尤其是过渡金属Ni等易团聚。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯气凝胶负载镍的催化剂及其制备方法和应用。

本发明的石墨烯气凝胶负载镍的催化剂，以质量百分比计，包含以下组份：石墨烯气凝胶55～99％、镍1～45％。

进一步的方案是，催化剂的比表面积在200m²/g～800m²/g、孔体积在3.32cm³/g～4.23cm³/g。

本发明的石墨烯气凝胶负载镍的催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将石墨粉通过改进的Hummers法制备得出氧化石墨烯，将所述氧化石墨烯进行洗涤和冷冻干燥得到干燥的氧化石墨烯；

S2、将步骤S1处理后的氧化石墨烯与交联剂一起放入反应釜，水热反应一段时间后，经过冷却，离心洗涤，冷冻干燥得到石墨烯气凝胶，即为GA；

S3、将步骤S2处理后的石墨烯气凝胶配成一定浓度的水溶液，然后添加一定量的镍离子溶液，室温搅拌，静置一段时间后，在40-60℃条件下干燥12h，得到干燥产物；

S4、将上述干燥产物在惰性气体的保护下煅烧2-4h，煅烧温度为350-500℃，得到催化剂前驱体NiO-GA；

S5、将上述步骤S4制备的NiO-GA催化剂前驱体装入固定床反应器中，向反应器中通入10–50ml/min的还原反应气，以升温速率为1-10℃/min升温至350-550℃还原1-3h后，得到Ni-GA催化剂，其中载体为石墨烯气凝胶，活性成分为镍。

本发明的技术方案从石墨烯出发，用水热法可制备其三维材料石墨烯气凝胶(GA)，石墨烯气凝胶具有大的比表面积，表面缺陷，表面含氧官能团以及高填充密度等。GA比GO有更多的三维大孔，增加了催化剂的位阻效应，有利于催化反应，提高了催化剂的活性。

GA 作为载体的作用可归因于孔隙率、优异的网络结构、大的比表面积和表面含氧官能团，这些都有助于活性金属镍更均匀、更稳定的分散于载体表面，表现优异的催化性能。