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甲烷重整反应是制取合成气(CO+H2)的重要反应之一,其强吸热特性使其能够作为化学蓄热反应储存太阳能。发展太阳能甲烷二氧化碳重整反应,不仅可以开发利用清洁可再生的太阳能,也可促进天然气(CH4)和CO2的优化利用,是解决当前能源和环境问题的极具潜力的一种途径。 催化活性吸收体是太阳能进行有效蓄积和实现甲烷重整反应的关键部件,为了更有效地利用太阳能,本课题以不锈钢AISI316泡沫金属为基体,以具有光活性的TiO2、LaFeO3和LaCoO3为涂层载体和催化活性组分,制备出两类新型催化活性吸收体Ru/TiO2-Al2O3/AISI316和La(Fe,Co)O3-Al2O3/AISI316。通过设计和搭建的以氙灯为太阳模拟光源的光-热联合甲烷重整反应系统,在利用XRD、TEM、SEM、XPS、TPR和TPD等技术手段对所制催化活性吸收体的结构组成和表面特性的表征基础上,着重分析了所制催化活性吸收体的甲烷/二氧化碳重整反应性能。结果表明: 对于Ru/TiO2-Al2O3/AISI316催化活性吸收体,RuOx物种高度分散在泡沫金属AISI316骨架上的TiO2-Al2O3涂层载体上,RuOx经还原得到的Ru0可有效的吸附活化CH4。载体涂层中引入TiO2可增加催化活性吸收体表面的碱性位而增强对CO2的吸附能力。在有氙灯模拟太阳光和没有模拟光源的条件下,重整反应的甲烷转化率随温度的升高而增大,且模拟太阳光下的甲烷转化率大于无光条件下的甲烷转化率,800℃时的甲烷转换率提高了近35%。Ru/TiO2-Al2O3/AISI316催化活性吸收体在900℃可以间断稳定运行100h仍保持较高的甲烷转化率。 对于La(Fe,Co)O3-Al2O3/AISI316催化活性吸收体,由以柠檬酸法制得的钙钛矿型复合氧化物LaFeO3/LaCoO3纳米材料为活性组分并分散在Al2O3涂层载体中。相对无光条件,在模拟太阳光下La(Fe,Co)O3-Al2O3/AISI316上的甲烷转化率均有所提高,其中LaFeO3-Al2O3/AISI316上在900℃时的甲烷转化率达到近90%,并可在800℃间断运行100h保持稳定。其较好的甲烷重整反应性能主要与催化组分的活性氧种及对甲烷和二氧化碳的吸附性能相关。 综合上述对所制催化活性吸收体的表面性能与反应活性的分析,结合甲烷和二氧化碳的活化机制与催化活性组分的吸光特性,探讨了在光直接辐射下的光-热协同效应对甲烷重整反应的促进作用。