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井下抽采煤层气由于抽排过程中渗入大量空气,致使甲烷浓度较低(5%-35%,体积分数),目前多数煤矿的做法为直接排空,浪费了资源,且造成了严重的大气污染。本研究将低浓度煤层气转化为合成气,该反应体系为甲烷的部分氧化反应(POM)。针对目前负载型催化剂出现的活性组分烧结和积碳问题,本研究制备了核壳式催化剂M@SiO2。结合XRD、TPR、BET、TEM等表征手段,通过催化性能评价系统,对催化剂的制备条件、催化剂改性及反应工艺条件等方面进行了研究。研究结果表明:1.采用共沉淀法制得纳米级金属颗粒,通过对焙烧温度的控制可实现对粒径大小的调节,制备温度越高,纳米颗粒粒度越大。350℃-600℃的焙烧温度可制得8-17 nm的金属氧化物颗粒。利用正硅酸乙酯在碱性环境下发生水解、缩合,制得SiO2层包裹的核壳式催化剂NiO@SiO2。还原后三种催化剂Ni-350@SiO2、Ni-500@SiO2及Ni-600@SiO2的颗粒直径分别约为44.67nm、44.82nm、46.52nm,其中,SiO2层的厚度约为 20nm,SiO2 壳的孔直径集中在5 nm左右。SiO2包覆过程纳米颗粒易发生团聚现象,颗粒的单分散性是亟待解决的问题。Ni核的直径越大,还原温度越高。纳米颗粒的表面预处理影响Ni核与SiO2壳的作用力,进而影响催化剂的还原温度。2.与传统负载型催化剂比较表明,在反应温度750℃,空速5×104 ml·g-1·h-1条件下,核壳式催化剂Ni@SiO2的CH4转化率、CO及H2的选择性分别为95%、93%、80%,而传统负载型催化剂Ni/Si02的CH4转化率、CO及H2的选择性分别为85%、90%、68%,核壳式催化剂的催化性能明显优于负载型催化剂,原因可归结于核壳式催化剂利用整个活性组分表面。随着反应时间的延长,负载型催化剂的催化性能有明显的下降趋势,而核壳式催化剂由于Si02层的包裹可有效地抑制活性组分的烧结,从而表现出优异的热稳定性。3.POM实验表明,当活性组分粒径大于10nm时,粒径越小催化活性越高。350℃焙烧的Ni@Si02催化剂具有最高的CH4转化率和H2/CO比,但催化剂表面积碳较为严重,小于10 nm的催化剂对于POM反应是不利的。积碳与活性组分被氧化为NiO有关,NiO生成是导致催化剂失活的重要因素。活性组分表面存在Ni和NiO的动态平衡,两种Ni物态比例的大小影响CH4的转化率及产物的选择性。Ni核粒径的大小及Si02层的孔道结构影响两种Ni物态比例的大小,进而影响催化剂的催化性能。助剂(Zr02、Ce02、CoO)的添加可提高催化活性,反应过程中Zr02、Ce02可提供晶格氧,防止金属Ni被氧化为NiO,从而抑制积碳生成。镍锆比为1:1时,Ni/Zr02@SiO2催化活性最好。4.对工艺条件研究表明,反应温度越高、空速越小,催化剂催化性能越好。对于 Ni/Zr02@Si02催化剂(Ni/Zr=1:1),空速为5× 10414ml·g-1·h-1,750℃时CH4接近完全转化,CO选择性约为90%,H2选择性约为85%,H2和CO比例为1.8。随空速增大,CH4转化率呈下降趋势,反应温度为750℃,在5×104ml·g-1·h-1空速下CH4接近完全转化,CO的选择性约为92%,H2选择性约为80%。另外,空速对于H2的选择性的影响大于对CO选择性的影响。