一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂及其制备方法

一、成果简介

中国城市污泥中的有机质含量最高达696g/kg，平均值为384g/kg，属于潜在利用价值很大的生物质能源，污泥热解气化产物有合成气、生物炭和焦油，其中合成气产物可替代化石燃料，实现燃气、热能和电能的供给；为污泥安全处置资源化提供技术方法。污泥热解产生的焦油是限制污泥热解气化效率的瓶颈问题。焦油催化裂解是焦油去除及资源化利用的有效措施。“催化裂解”是一种通过添加催化剂，降低焦油热裂解反应活化能，提高反应速率，在相对温度较低的条件下去除焦油的同时产生H2、CO、CH4等可燃气体的技术。催化剂的性能是焦油催化裂解效率的关键。利用合理的方法制备高效、廉价、抗失活、再生性能好的催化剂去除污泥热解焦油产物同时实现资源与能源的回收就显得尤为重要。近十年来，纳米催化剂在新燃料合成、生物柴油制备、催化加氢及燃烧等领域都得到广泛重视。大量国内外专家的研究表明，纳米催化剂的金属－载体界面在催化反应过程中起着非常重要的作用，且材料界面与基体之间的结构关系研究已成为当前各领域的研究热点，然而关于纳米催化剂结构及其微界面作用在生物质燃气脱焦方向的研究报道较少。负载型纳米催化剂结构中的多相微界面与催化剂的焦油裂解效能及其抗失活能力密切关联，但是目前关于该方向的研究尚未报道。本成果以生物质半焦为载体，Fe、Mg为助催化金属，在半焦上可控负载纳米二元金属（Ni-Fe、Ni-Mg）制备新型镍基催化剂，考察其焦油催化裂解性能和抗失活机制。通过对主金属、助金属及载体的比例进行优选，优化反应条件，继而对纳米金属颗粒及载体的微结构、晶态结构等进行系统控制。构建并调控主金属－助金属－载体之间的多相微界面，研究焦油催化裂解过程中催化剂的抗失活界面作用机制。评估所得催化剂的焦油催化裂解性能并进行失活再生评价，构建催化剂结构与催化效能之间的关系，明确活性金属与载体在焦油催化裂解过程中的协同催化作用，实现半焦负载纳米二元金属催化剂的可控制备和控制参数优化。本成果深入剖析纳米镍金属、助催化金属和载体间形成的大量微界面如何促进活性位点的广泛分布进而提高催化剂的催化性能，以及各相微界面如何有效抑制积碳覆盖和镍晶粒烧结而提高催化剂的抗失活能力是应当重点研究的科学问题。通过污泥热解焦油催化裂解实验研究催化剂结构特征与催化剂热力学特性和结构稳定性之间的关系。调控催化剂的结构性质和建立合成方法与催化剂结构间的关系；分析焦油及其中间产物与钙钛矿表面多相微界面的反应情况，并研究活性金属迁移团聚情况、氧空位传递氧离子与积碳的反应过程，分析钙钛矿催化剂的抗失活多界面作用机制；中国城市污泥中的有机质含量最高达696g/kg，平均值为384g/kg，属于潜在利用价值很大的生物质能源，污泥热解气化产物有合成气、生物炭和焦油，其中合成气产物可替代化石燃料，实现燃气、热能和电能的供给；为污泥安全处置资源化提供技术方法焦油催化裂解是焦油去除及资源化利用的有效措施。污泥热解产生的焦油是限制污泥热解气化效率的瓶颈问题。通过分析多种不同结构特性的钙钛矿催化剂在不同反应条件影响下的污泥热解焦油催化裂解效果，阐释钙钛矿结构及其焦油裂解效能之间的构效关系。获得高效、廉价、抗失活、再生性能好的新型钙钛矿型催化剂。

二、预期经济效益

生物质污泥热解气化可产生气化产物有合成气、生物炭和焦油，其中合成气产物可替代化石燃料，实现燃气、热能和电能的供给；“催化裂解”通过添加催化剂，降低焦油热裂解反应活化能，提高反应速率，在相对温度较低的条件下去除焦油的同时产生H2、CO、CH4等可燃气体，提高焦油转化与去除效率，实现污泥中能源的高效回收，提高生物质污泥气化热解工艺的经济性。

三、联系方式

有合作意向的企业请联络北林区工业信息科技局，电话：0455-8106381、0455-8106380。