[发明专利]一种甲烷裂解催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种甲烷裂解催化剂及其制备方法，属于甲烷裂解催化剂制备技术领域。本发明催化剂以镍铜合金纳米粒子为活性相、氧化铝为结构助剂，首先采用共沉淀法合成镍铜铝层状复合氢氧化物作为催化剂前驱体，经500℃焙烧分解形成岩盐型氧化镍‑氧化铜‑氧化铝固溶体，然后经800℃氢气还原处理原位生成高分散镍铜合金纳米粒子。本发明催化剂的镍铜合金平均晶粒尺寸为9~10 nm，具有组成均匀和组成可调的特点，对高温甲烷裂解反应表现出良好的催化性能，反应温度650℃时的碳产率可达70 克每克催化剂，可获得竹节型结构的碳纳米管。

技术领域

本发明属于甲烷裂解催化剂制备技术领域，具体涉及一种甲烷裂解催化剂及其制备方法。

技术背景

氢气是一种优质清洁燃料，可通过各种方式转化为电能和其他低污染的能源形式，不会产生环境问题。由于氢气在自然界的含量极低，工业上大规模制氢主要通过煤气化、石脑油水蒸汽重整、部分氧化或天然气水蒸气重整、自热重整或醇水蒸气重整等途径。与其他化石燃料相比，天然气是生产氢气最好的原料，其主要成分是甲烷，氢碳比含量最高。甲烷水蒸汽重整是目前世界上规模最大、最经济的制氢技术，约占世界氢气产量的50%。然而，该过程会产生大量CO、CO₂副产物。CO易使燃料电池Pt电极中毒失活，而CO₂是主要的温室气体之一。甲烷催化裂解是制取纯氢的一种简单、有效的方法，不仅没有CO_x副产物，而且生成的碳如碳纳米管（CNTs）、碳纳米纤维（CNFs）是一种良好的纳米材料，具有优异的光电性能、机械强度和表面积高等特点，有广泛的应用前景。

CH₄分子具有高度稳定的四面体结构，C–H键键能高达434kJ/mol。因此，C–H键断裂需要很高的活化能，是甲烷裂解最为关键的一步。为降低反应活化能，使用催化剂是最有效的方法。大量研究表明，第VIII族过渡金属如Ni、Co、Fe对甲烷分解具有较高的活性。Ni催化剂和Co催化剂在500~800℃温度范围内对甲烷裂解反应就有足够的活性，而Fe催化剂的活化温度一般在800℃以上。相同反应条件下，Ni催化剂比Co催化剂具有更高的活性和稳定性。Ni催化剂在较低温度就具有活性，其活性组分单位质量氢气的产率比较高。甲烷裂解是一个吸热反应，升高反应温度有利于提高甲烷裂解速率，但是Ni催化剂在高温条件下很容易失活。因此，必须研发一种具有良好高温催化性能的甲烷裂解催化剂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种甲烷裂解催化剂及其制备方法。本发明采用层状复合氢氧化物作为催化剂前驱体，经过焙烧和还原处理，制备高分散、组成均匀的镍铜合金甲烷裂解催化剂。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用共沉淀法合成以镍、铜、铝金属阳离子的氢氧化物为主体层板、以碳酸根离子为插层的层状复合氢氧化物前驱体，经焙烧分解形成岩盐型氧化镍-氧化铜-氧化铝固溶体，再经氢气程序升温还原得到镍铜合金纳米粒子，所述催化剂中摩尔比(Ni+Cu):Al = 3:1、Ni:Cu = 90:10~70:30。

上述镍铜合金甲烷裂解催化剂的制备方法，其具体步骤如下：