Катализаторы углекислотной конверсии метана

Нанесенные никелевые катализаторы Наибольшую активность в углекислотной конверсии СН4 проявляют нанесенные никелевые катализаторы. Однако они имеют существенный — потеря активности при закоксовывании. Для борьбы с этим явлением применяются разные приемы. Так, в процессе SPARG, разработанном фирмой «Topsoe», углеотложение на никеле подавляется путем пассивации серой. Считают, что сера препятствует образованию больших ансамблей углерода и таким образом ингибирует процесс углеотложения сильнее, чем реакцию (3).

Наименее подвержены влиянию кокса катализаторы, в которых никель нанесен на основные носители. Так, если катализатор Ni/Al2 O3 обладает наибольшей активностью в начальный период работы, то катализаторы Ni/MgO, Ni/CaO, Ni/MnO, Ni/ZrO2 превосходят его по эксплуатационным качествам, проявляя устойчивость в отношении коксообразования. Отмечается [10], что углеотложение подавляется, если металл нанесен на носитель с высокой основностью по Льюису. На таких оксидах, как СaO, MgO, TiO2, адсорбированный диоксид углерода реагирует с углеродом по реакции, соответствующей обратной реакции Будуара (8):

Применяют также щелочные добавки к таким носителям, как Al2 O3. По-видимому, образование не слишком стабильных карбонатов облегчает их взаимодействие с углеродом.

Несомненный интерес представляет цикл работ японских исследователей по углекислотной конверсии метана на никелевых катализаторах [11−24]. Методом соосаждения солей Ni и Mg была получена система Ni0,03 Mg0,97 O, представляющая собой твердый раствор NiO и MgO, которая оказалась близкой по активности к нанесенному катализатору примерно такого же состава 3%NiO/MgO, но со значительно более высокой коксоустойчивостью. Стабильность обоих катализаторов много выше, чем Ni/SiO2 и Ni/Al2 O3 .

В условиях низких температур (500 °С) отложение кокса на катализаторе Ni0,03 Mg0,97 O не наблюдается. При 650 °C активность катализатора не снижается в течение 3000 ч. При более высокой температуре (700−900 °С) на нем также практически не обнаруживается кокс. В условиях катализа весь никель восстанавливается до металлического состояния, при этом металл выделяется в виде высокодисперсных частиц. Каталитическая активность в конверсии СН4 + СО2 коррелирует с количеством наиболее слабо связанного аморфного б-углерода.

По мнению авторов [11], дезактивация катализатора вызвана не столько углеобразованием, сколько реокислением Ni до NiO. Маленькие частицы Ni, образующиеся в твердом растворе Ni0,03Mg0,97O, восстанавливают СО2 до СО, при этом окисленные частицы NiO в условиях реакции снова восстанавливаются до металлического Ni.

Конверсия смеси СН4 + СО2 на катализаторе Ni0,03 Mg0,97 O при 850 °C и давлении 0,1−0,2 МПа стабильно составляла 100%, а на катализаторе Ni0,03 Ca0,10 Mg0,87 O — 45% [14]. При давлении 1,2 МПа наблюдается углеотложение, которое флуктуирует в ходе работы катализатора. Добавка СаО в этом случае значительно снижает углеобразование (от 330*10−3 г/г катализатора без СаO до 9,5*10−3 г/г катализатора с добавкой СаO).

Промотирование катализатора Ni0,03 Mg0,97 O благородными металлами (Pt, Pd и Rh) дает максимальный эффект при отношении М: M (Ni + Mg) = 0,021 [15]. На биметаллических катализаторах сильно снижается углеотложение. Кроме того, благородные металлы увеличивают стабильность катализатора при высоких температурах (850 °С).

В [25, 26] показано, что более концентрированные твердые растворы состава NiMgO (13−20% масс. Ni) после восстановления в условиях углекислотной конверсии метана значительно более активные и стабильные, чем системы NiO/Al2 O3 и NiO/SiO2 в соответствующей концентрации. При этом лишь часть никеля входит в твердый раствор при реокислении. Вместе с тем смесь NiO + MgO, в отличие от катализатора NiO/MgO, полученного методом пропитки, менее устойчива к спеканию. Из-за взаимодействия никеля с MgO образование кристалликов Ni и, следовательно, отложение углерода уменьшено. Конверсия метана при 790 °C и объемной скорости газового потока 30 000 см³ /(г*ч) составляет 90%, селективность превращения в СО и Н2 равна 98%.

Различие между нанесенными катализаторами и каталитической системой, представляющей собой химическое соединение между компонентами, выявлено и в случае системы Ni + Al2 O3. Катализатор Ni/Al2 O3, приготовленный из аэрогеля, более активный и более коксоустойчивый, чем нанесенный катализатор, полученный пропиткой носителя солями Ni [27]. Установлено, что на катализаторе NiAl2 O4, сформированном заранее, углеобразование меньше, чем на нанесенном катализаторе Ni/Al2 O3, восстановление идет труднее, кристаллики Ni имеют меньшие размеры. Исследование с помощью трансмиссионного электронного микроскопа показало, что на поверхности катализатора образуются углеродные нити. Соли калия увеличивают стабильность катализатора при 650 °C, но при более высокой температуре термостабилизирующий эффект не наблюдается. Согласно [27], фасетированные или плоские частицы металла производят мало нитевидного углерода, а сферические частицы приводят к образованию закапсулированного углерода.

Катализатор 5%Ni/CaO * Al2 O3, полученный осаждением никеля на уже сформированный алюминат CaAl2 O4, имеет большую активность и менее подвержен отложению углерода, чем катализатор, полученный смешением солей Ni, Ca и Al. Наблюдаемые различия приписаны разным количествам образовавшегося NiO на каталитической поверхности.

Показано [24], что активный, стабильный и селективный катализатор углекислотной конверсии метана можно получить при нанесении Ni на оксид б-Al2 O3, модифицированный путем пропитки раствором Al (NO3)3 .

Активность этого катализатора при 650−750 °С в смешанном и углекислотном риформинге ниже, чем в кислородном риформинге. Изучение влияния на активность катализатора Ni/Al2 O3 различных солей Ni, используемых для его приготовления, показало, что в случае применения органических солей никеля (ацетилацетонат Ni и др.) формируется плотный углерод, который далее служит ядром для коксообразования. Это явление не возникает, если для приготовления катализатора используются неорганические соли Ni (нитраты, хлориды и др.). В работе [22] предложен новый метод получения катализатора Ni/Al2 O3, включающий стадии осаждения углерода на поверхности и последующее удаление его по реакции с CO2. После такой многократной обработки уменьшается удельная поверхность Ni, но активность его растет, снижается углеотложение.

Согласно исследованию [22], высокая пористость Ni-катализаторов, нанесенных на Al2 O3, SiO2, MgO, способствует повышению каталитической активности.

В работе [20] была изучена углекислотная конверсия метана при 650 °C и соотношении СН4: СО2 = 1:3 на катализаторе Ni/CaO-SiO2. Катализаторы готовили пропиткой солями Ni носителя SiO2, модифицированного СаО. При этом возрастает дисперсность металла.

Образующиеся угольные нити не дезактивируют катализатор.

Имеются данные о том, что дисперсность металла есть строгая функция кислотности носителя по Льюису [23]. Возможно, льюисовские центры являются центрами кристаллизации частиц металла.

По сообщениям [20, 21] регенерация в Н2 (700 °С, 12 ч) сильно увеличивает активность Ni-катализатора и уменьшает активность Ni-Co-катализатора. Изменения активности приписаны коксообразованию и структурным изменениям. Авторы [20, 21] делают вывод о том, что вклад паровой конверсии СО на этих катализаторах менее важен.

Никелевые катализаторы с добавками переходных металлов Исследовано влияние добавок La2 O3, CeO2, а также оксидов MgO и CaO к катализатору Ni/Al2 O3 на его активность и другие свойства в конверсии смеси CH4 + CO2 при 650−850 °С. Катализаторы, промотированные MgO и CaO, более чувствительны к условиям пропитки, чем катализаторы, промотированные оксидами редкоземельных элементов. Высокую активность проявляют катализаторы Ni/CeO2 и Ni/CeO2-Al2 O3 [23]. Наиболее активен катализатор, содержащий 5% CeO2. Добавка способствует увеличению восстанавливаемости и диспергируемости никеля. Благодаря оксиду CeO2после диссоциативной адсорбции CO2 атом углерода реагирует с кислородом и меньше образуется кокса.

Изучен катализатор Ni/MgO (Ni: Mg = 1:1) с добавками Cr2 O3 и La2 O3 [23]. Установлено, что введение Cr2 O3 или La2 O3 обеспечивает значительное повышение устойчивости катализатора к коксообразованию. Промотирование этими добавками увеличивает степень окисления Ni, что снижает склонность метана к глубокому дегидрированию (до углерода).

В Институте химической физики РАН проведено изучение широкого набора Ni/MgO-катализаторов с различными добавками [23]. Высокую активность показали Ni/MgO-катализаторы с добавками оксидов CeO2, CuO, Cr2 O3, MnO2, которые в условиях катализа могут подвергаться восстановлению и окислению. Из них катализатор Ni/MgO-Cr2 O3 оказался наиболее активным; при составе 6%Ni-1%Cr2O3 -MgO он обеспечивает конверсию, близкую к равновесной, уже при ~ 700 °C. Как следует из зависимостей, представленных на рис. 14, даже небольшие количества Ni и Cr2 O3 взаимно промотируют друг друга.

Была изучена углекислотная конверсия СН4 на Ni-катализаторах, нанесенных на б-Al2 O3, г-Al2 O3, б-Al2 O3 *SiO2, ZrO2, MgO и модифицированных переходными металлами (Co, Cu, Fe), а также щелочными промоторами (Na, K). [23] Каталитическая активность Ni/б-Al2 O3 очень близка к таковой для Ni/г-Al2 O3, но последний быстрее закоксовывается из-за его кислотных свойств. Для Ni-катализаторов на этих носителях получен следующий ряд их устойчивости к коксообразованию: б-Al2 O3 > г-Al2 O3 > SiO2> б-Al2 O3 *SiO2 > ZrO2, MgO. По силе влияние переходных металлов на катализатор Ni/б-Al2 O3соответствует ряду: Ni-Co, Ni > Ni-Cu >> Ni-Fe, а щелочных добавок — ряду: Ni > Ni-Na > Ni-K. Добавки металлов уменьшают восстанавливаемость никеля, но увеличивают его дисперсность. После 12 ч работы при 700 °C Ni-катализатор полностью дезактивировался, в то время как активность Ni-Co-катализатора сильно увеличилась при полном отсутствии коксообразования.

Оксид ZrO2 в катализаторе Ni/ZrO2 -MgO стабилизирует состояние никеля на носителе MgO [23]. Температура восстановления NiO повышается с ростом количества MgO. Так, катализатор Ni/ZrO2 без MgO при 800 °C очень мало активен, добавление же всего 1% MgO приводит к 90%-ной конверсии метана, что близко к равновесию.

Высокоэффективными катализаторами сухой конверсии метана являются Ni-содержащие перовскиты LaNix Fe (1- x) О3, конверсия СН4 и СО2 составляет 97.5%, выход СО равен 97,1% при 800 °C [24]. В условиях катализа смешанная перовскитная структура разрушается, но при составе перовскита х < 0,5 катализаторы могут быть регенерированы путем прокаливания. При 0,3 < x < 0,8 образуются сплавы никеля с железом разного состава. Предполагается, что образование сплава предотвращает отравление катализатора углеродом благодаря торможению диффузии углерода сквозь частицу Ni.

Каталитическая активность и коксоустойчивость перовскитов состава La1- x Srx NiO3 (x = 0, 0,1) и La2 — x Srx NiO3 (x = 0,1) при 600−900 °С и атмосферном давлении зависит от типа перовскита и степени замещения Sr [24]. Так, LaNiO3 показывает высокую каталитическую активность, а La2NiO4 — совершенно неактивен. Среди стронций-замещенных катализаторов La0,9 Sr0,1 NiO3 и La1,8 Sr0,2 NiO4 имеют максимальную активность.

Начальная активность катализаторов этого типа растет со временем по мере их работы, достигая стационарного состояния. Рентгенофазовый анализ отработанных катализаторов показывает, что в условиях реакции катализаторы превращаются в смесь фаз La2 O2 CO3 и SrCO3 с высокодисперсным Ni. Такое превращение может быть вызвано удалением решеточного кислорода при замещении, ускоряемом в восстановительной атмосфере при CH4 /CO2 = 1. Предположительно, высокая активность обусловлена двумя центрами: La2 O3 служит для адсорбции CO2, Ni — для активации CH4 .

Перовскитные катализаторы Ni/Ca0,8 Sr0,2 TiO3 и Ni/BaTiO3, приготовленные методом твердофазной кристаллизации, были испытаны в сухом риформинге метана. В условиях катализа образуется металлический Ni, который равномерно распределяется в решетке перовскитной матрицы. Отмечено, что внедрение Ni в решетку BaTiO3 происходит легче, чем в решетку Ca0,8 Sr0,2 TiO3. Высокая дисперсность никеля приводит к высокой активности и коксоустойчивости катализатора, причем снижение углеобразования частично обязано присутствию щелочноземельных металлов. Подвижный кислород в решетке перовскита также способствует удалению углерода.

Изучено влияние добавок Mo и W на каталитические свойства системы Ni/Al2 O3 [24]. Никелевый катализатор, легированный малыми добавками Мо, дезактивируется, хотя при низких степенях легирования углерода на поверхности катализатора не наблюдалось. Напротив, катализатор, легированный W, не дезактивируется, углерода на поверхности значительно меньше, чем на непромотированном катализаторе. Ингибирование углеотложения объясняется образованием карбидов Мо и W, активных в сухой конверсии метана. По-видимому, карбидные центры формируются вблизи никелевых центров в Ni/Al2 O3, промотированном Mo/W. Эти центры обеспечивают диссоциацию СО2 и увеличивают на каталитической поверхности количество кислорода в атомарном состоянии, доступное для реакции с поверхностным углеродом.