介质阻挡放电等离子体制备镍、铁催化剂的研究

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1、介质阻挡放电等离子体制备镍、铁催化剂的研究Preparationofnickelandironbasedcatalystsusingdielectricbarrierdischargeplasma一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工艺作者姓名：张瑶指导教师：刘昌俊教授天津大学化工学院2017年5月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而

2、使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要随着社会的发展和进步，能

3、源的消耗逐渐加剧，随之而来的环境污染也越来越严重，如何提升能源利用率和减少废物排放成为亟待解决的问题。催化剂作为能源利用框架中极为重要的一环，传统制备技术和手段已无法满足当今社会的需求。采用非常规技术，开发新型催化剂，提高能源转化效率以及降低对环境的污染，成为化学化工发展的迫切要求。冷等离子以其特有的高能电子和活性粒子的轰击作用，以及低温处理特点，能够在催化剂的制备和合成中达到常规手段无法达到的效果。前期研究发现等离子体处理对催化剂的形貌和结构修饰有重要作用。本论文在前期研究基础上，深入探讨了利用介质阻挡放电(DBD)等离子体

4、在制备镍基和铁基催化剂的过程中对催化剂尺寸和结构的影响，以及在提升催化剂反应性能方面的作用机制。作为甲烷转化的重要环节，甲烷水蒸气重整(SRM)是工业制氢和合成气的主要手段之一。镍基催化剂以其高活性和低成本的优势成为SRM反应最常用的催化剂，但反应过程中极易积炭是镍基催化剂的短板。本文利用DBD等离子体分解硝酸镍制备出的Ni/SiO2催化剂，与常规焙烧法对比，在低水碳比条件下的SRM反应中表现出了优异的抗积炭性能。表征结果表明，DBD的高能电子轰击作用能够对催化剂的结构产生影响，提高Ni/SiO2催化剂密堆积面含量，减少晶体缺

5、陷位，增强金属与载体间的相互作用。DBD的低温处理效应能够有效控制催化剂的粒径在5nm左右，远小于高温焙烧得到的10nm左右的颗粒粒径。在SRM反应过程中，DBD对粒径和结构的综合影响能够降低甲烷的分解速率，提高碳气化速率，使碳物种在催化剂表面难以沉积和团聚，从而显著抑制积炭。费托合成(FTS)反应以合成气为原料，是甲烷转化框架中SRM的重要下游反应之一。在FTS过程中，相比于钴系催化剂，铁系催化剂的成本更低，在合成气配比和反应条件方面的适用性更强，因此得到广泛的关注。本文以活性碳球为模板制备前驱体催化剂，并利用氧气放电DBD

6、等离子体脱除碳模板和分解前驱体，得到用于FTS反应的多孔铁系催化剂。通过与常规高温焙烧脱碳对比，DBD等离子体脱除碳模板具有快速高效的特点，其脱除速率是常规焙烧的近6倍。研究发现，DBD的微燃烧效应和碳模板的还原作用能够将部分Fe3+还原为Fe2+，使催化剂具有磁性，有助于催化剂的提纯与分离。等离子体的高能电子轰击作用还能够修饰催化剂的电子结构，提高FTS反应中催化剂的碳化程度，进而提高催化剂的活性和低链烯烃的选择性。I万方数据在催化剂的制备过程中，载体会对活性组分的结构产生影响。采用DBD气相合成金属纳米颗粒，能够有效避免载

7、体的影响，实现对等离子体影响晶体成核和生长的研究。本文利用共轴DBD等离子体装置气相合成镍纳米颗粒，分析了DBD等离子体对镍晶体成核和生长过程的影响，通过调节前驱体浓度、停留时间和等离子体构造实现了对颗粒粒径的自由调控。相比于常规制备过程，等离子体气相制备法能够有效避免杂质的引入，对于粒径的调控也更加方便快捷。之后本文在共轴DBD装置的基础上，对等离子体反应器放大的可行性进行了研究，提出了放大过程需要遵循的原则，并成功将反应装置放大9倍，为之后的工业应用奠定了基础。关键词：介质阻挡放电等离子体，甲烷转化，费托合成，镍基催化剂，

8、铁基催化剂，尺寸调控，结构调控II万方数据ABSTRACTThesocialprogressanddevelopmentleadstoadramaticincreaseofenergyconsumption,andseriousenvironmentalpollutionpr