Gasar型多孔金属铜的制备、性能及应用研究

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Gasar型多孔金属作为一种新型的多孔金属材料,因为其优异的热传导性能而备受关注。由集中的太阳能驱动的甲烷-二氧化碳重整反应(CDRM),被认为是非常有前景的太阳能热化学过程,因为该反应可以存储多达30%的太阳能。为了保证高催化活性,重整反应使用的整体式催化剂必须具有很高的热导率以使催化剂快速加热到工作温度,因此本论文在Gasar型多孔铜制备工艺研究的基础上,首次利用该材料作为整体式催化剂基体,并以现阶段文献中大量研究的SiSiC泡沫体和FeCralloy泡沫合金作为参比对象,采用铝溶胶为过渡涂层制备出太阳能甲烷-二氧化碳重整反应用整体式催化剂。结合相关的表征分析,详细研究了γ-Al2O3层、基体材料、催化剂Ni含量、反应温度、反应气体空速(GHSV)等因素对整体式催化剂催化性能的影响。主要结论如下:  Gasar型多孔铜制备工艺研究表明,气孔率、平均气孔尺寸随着熔炼保压温度的增加略有增加;气孔密度随着熔炼保压温度(过热度)的增加有少量减小。  在相同的熔体保温温度和冷却条件下,当氩气分压一定且较小时,Gasar型多孔铜的气孔率随氢气分压的增大而减小,当氩气分压一定且较大时,气孔率随氢气分压的增大而增大;当氢气分压一定时,气孔率随氩气分压增大而减小。气孔平均直径大小及其分布主要取决于凝固压力的大小,即随着凝固压力的增大,气孔平均直径不断降低,尺寸分布集中性呈升高趋势。  Gasar型多孔金属铜的含油量随气孔率增大而增大,当气孔率达到47.1%时,含油量为27.6%。另一方面,含油效率随气孔率增大而减小,最高含油效率为75.8%,这一数据远低于粉末烧结多孔金属。含油多孔铜环与WC-Co球的摩擦系数在0.15-0.19之间,主要取决于多孔铜样品的气孔率和气孔尺寸。气孔中的润滑油对提高多孔铜样品的滑动摩擦行为起重要作用。  相比没有γ-Al2O3层的催化剂,有γ-Al2O3中间层的催化剂表现出更好的催化性能;相比SiSiCfoam(3%)和FeCralloy foam(6%),γ-Al2O3层对担载在Gasar型多孔铜上的催化剂甲烷转化率的提升要更加明显(10%)。基体材料对催化性能的影响不大。相对而言,SiSiC基催化剂展现出最好的催化性能,但Cu基催化剂的催化性能可以与其相媲美,而且Gasar型多孔铜的造价成本远远低于SiSiC foam,因此Gasar型多孔铜作为太阳能甲烷-二氧化碳重整反应的重整催化剂基体具有很好的应用前景。催化性能随催化剂中Ni含量的增加而增加,并且没有发现催化失活现象。可以推测,更高的Ni含量会提升催化剂的活性。  20Ni-γCu和20Ni-γSiSiC的催化性能随反应温度的升高而升高,并且在每个反应温度下催化性能都保持稳定。低温下(650℃),20Ni-γCu的催化性能要明显好于20Ni-γSiSiC;中温(720℃)下,两种催化剂的催化性能非常接近;高温(800℃)下,20Ni-γSiSiC的甲烷转化率及甲烷转化速率要高于20Ni-γCu。  20Ni-γCu和20Ni-γSiSiC的甲烷转化率,H2产率和H2/CO比随着反应气体空速的升高而降低,而甲烷转化速率随反应气体空速升高而升高。随着反应气体空速的增加,催化剂20Ni-γSiSiC的催化性能衰减得要比20Ni-γCu的快。  20Ni-γCu和20Ni-γSiSiC在30个小时的反应时间内,表现出较高的催化活性及稳定性。30小时后,20Ni-γCu的甲烷转化率下降6%,20Ni-γSiSiC下降7%。20Ni-γCu的H2产率保持在56%,20Ni-γSiSiC的保持在53%。2种催化剂的H2/CO比保持在0.58-0.59。
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