制備方法對鉬基耐硫甲烷化催化劑性能的影響

催化劑制備方法一氧化碳；甲烷；三氧化鉬；氧化鋯

    煤制天然氣是煤基氣態(tài)能源產(chǎn)業(yè)的一個重要方向，符合我國“多煤、少油、有氣”的能源結(jié)構(gòu)特點，能夠有效緩解天然氣的供需矛盾。該工藝不僅具有熱能利用率高的特點，而且可以減少傳統(tǒng)的煤的燃燒利用引起的環(huán)境污染。甲烷化催化劑是煤制天然氣這一工藝過程的關(guān)鍵技術(shù)，可分為兩大類：一類為鎳基間接甲烷化催化劑^[1]，該催化劑在工業(yè)上已廣泛應(yīng)用，但是鎳基催化劑只有在H₂/CO比例大于3時才具有較高的活性，并且在含硫氣氛下容易失活，因此合成氣通入前需預(yù)先水汽變換調(diào)整H₂/CO比例至3以上，同時還必須經(jīng)過高成本的精脫硫過程使合成氣硫含量低于1×10^-6g·m^-3；另一類為鉬基直接甲烷化催化劑，該催化劑在低H₂/CO比例和含硫條件下均呈現(xiàn)良好的催化活性，因此無須對氣化爐出口氣體進(jìn)行水汽變換和脫硫。以美國煤氣研究所為代表開發(fā)的直接甲烷化工藝^[2]使用鉬基催化劑，簡化了工藝流程，降低了生產(chǎn)成本。然而，在甲烷化反應(yīng)體系中鉬基催化劑活性普遍低于鎳基催化劑，因此提高鉬基催化劑活性顯得尤為重要。甲烷化反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，從熱力學(xué)方面考慮，低溫更有利于其反應(yīng)的進(jìn)行。由于甲烷化反應(yīng)為強放熱反應(yīng)，為了最大程度利用反應(yīng)產(chǎn)生的熱能，甲烷化反應(yīng)過程一般在絕熱反應(yīng)器中進(jìn)行，這就要求催化劑既具有較高的低溫活性又具有較好的高溫穩(wěn)定性。催化劑的低溫活性越高，絕熱溫升對高溫段甲烷化催化劑的沖擊越小，越有利于延長其高溫下的使用壽命。文獻(xiàn)中對于該催化劑低溫下活性研究報道較少，大多是關(guān)于高溫條件下的活性報道^[3]，因此研究開發(fā)具有較高低溫活性的耐硫甲烷化催化劑具有重要意義。

    耐硫甲烷化催化劑的活性相為MoS₂。MoS₂在加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧等含硫氣氛的加氫反應(yīng)體系中已得到廣泛應(yīng)用。MoS₂通常由氧化物MoO₃在一定比例的H₂S/H₂氣氛中進(jìn)行還原硫化得到。在負(fù)載型鉬基催化劑中，MoO₃在載體表面的分散情況以及MoO₃和載體之間的相互作用對還原硫化生成的MoS₂的形貌和催化性能有重要影響。

    ZrO₂是一種具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性的P型半導(dǎo)體材料，易于產(chǎn)生氧空穴，具有弱酸堿性、氧化還原性以及良好的機械強度、熱穩(wěn)定性和耐酸堿腐蝕性等，廣泛用于各種催化劑的載體。 Fu等^[4]研究不同載體上負(fù)載MoS₂催化劑的甲烷化性能，發(fā)現(xiàn)ZrO₂作為載體時表現(xiàn)出較高的甲烷化活性。制備方法對催化劑性能具有重要影響。Li等^[3]采用共沉淀法制備的MoO₃/ZrO₂催化劑具有較高的耐硫甲烷化活性。溶液燃燒法作為一種新型的先進(jìn)合成材料方法，近年來越來越受到重視。相較于傳統(tǒng)的催化劑制備方法，溶液燃燒法具有設(shè)備和工藝簡單、產(chǎn)品純度高、無污染等特點。Ying等^[5]采用溶液燃燒法制備了Ni/Al₂O₃催化劑，該催化劑具有較高的合成氣甲烷化反應(yīng)活性和穩(wěn)定性。但采用溶液燃燒法制備鉬基催化劑在低溫甲烷化反應(yīng)中的研究報道較少，值得進(jìn)一步研究。

    本研究采用3種不同的方法——溶液燃燒法、共沉淀法和等體積浸漬法制備了相同負(fù)載量的MoO₃/ZrO₂催化劑，考察3種催化劑在低溫條件下的耐硫甲烷化性能，并對所制得的MoO₃/ZrO₂催化劑進(jìn)行一系列表征分析，探討催化劑結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性能的關(guān)系影響。

1實驗部分

1.1催化劑制備

    分別采用溶液燃燒法、共沉淀法和等體積浸漬法制備15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）MoO₃/ZrO₂催化劑。

    溶液燃燒法：將0.6395 g仲鉬酸銨（AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）與12.1193 g硝酸鋯（AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）的混合物室溫下溶于21 ml乙二醇（AR天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）和21 ml蒸餾水的混合液中，50℃水浴攪拌至膏狀，置于管式爐中550℃反應(yīng)4h，即可得到相應(yīng)的催化劑。將所得催化劑過篩得到粒徑0.425~0.850 mm顆粒備用。

    共沉淀法:共沉淀法的具體步驟見文獻(xiàn)^[3]。

    等體積浸漬法:將12.1193 g硝酸鋯溶于21 ml乙二醇和21 ml蒸餾水的混合液中，50℃水浴攪拌至膏狀，置于管式爐中550℃反應(yīng)4h，即可得到相應(yīng)的ZrO₂載體。將0.6395 g仲鉬酸銨室溫下溶于適量蒸餾水中，等體積浸漬得到ZrO₂體，室溫自然干燥24 h，120℃烘干，隨后600℃焙燒4 h，即可得到相應(yīng)組成的催化劑。將所得催化劑壓片并破碎至粒徑0.425~0.850 mm備用。

1.2催化劑評價

    采用加壓固定床反應(yīng)裝置(天津大學(xué)北洋化工實驗設(shè)備有限公司)進(jìn)行催化劑的低溫耐硫甲烷化性能的評價，不銹鋼反應(yīng)器內(nèi)徑12 mm，催化劑的裝填量2 ml。反應(yīng)活性測定前需對催化劑進(jìn)行活化處理，采用3%（體積分?jǐn)?shù)）H₂S/H₂混合氣原位硫化還原。催化劑的評價條件：反應(yīng)氣中H₂/CO比為1，以10%（體積分?jǐn)?shù)）N₂作為內(nèi)標(biāo)氣，H₂S濃度為0.24%，反應(yīng)測溫分別為300℃，400℃，壓力為3 MPa，體積空速5000 h^-1。

    反應(yīng)產(chǎn)物的定量分析采用3420A氣相色譜儀（北分瑞利）在線分析，色譜配備1路熱導(dǎo)檢測器（TCD）和1路氫火焰離子化檢測器（FID）檢測系統(tǒng)，采用外標(biāo)法定量測定各組分含量。催化劑性能的主要指標(biāo)計算公式如下0。

式中，x為反應(yīng)氣的轉(zhuǎn)化率；s為產(chǎn)物的選擇性；n為摩爾流量，mol·min^-1;下角標(biāo)in表示反應(yīng)器入口，out表示反應(yīng)器出口。

1.3催化劑表征

    采用美國Micromeritcs公司TriStar 3000型吸附儀進(jìn)行N₂物理吸附表征。操作方法為：稱量一定質(zhì)量的待測樣品，在真空脫氣條件下90℃干燥1 h后升溫至300℃烘干4 h，記錄脫氣后的樣品質(zhì)量。將樣品置于樣品管中，裝入吸附儀進(jìn)行分析測定，分析溫度為液氮溫度(-195.8℃)。在N₂分壓為0~0.3 MPa下測定N₂的吸附量，再于室溫下進(jìn)行N₂吸附-脫附實驗。由Brunauer-Emmett-Teller （BET）方程計算樣品比表面積。

    采用荷蘭Philips公司TecnaiG2F20型場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM，點分辨率為0.248 nm，線分辨率為0.102 nm，放大倍數(shù)可達(dá)105萬倍。將少量樣品置于盛有適量無水乙醇的小燒杯中，放入超聲波振蕩器中進(jìn)行超聲波振蕩，待樣品分散均勻后，取少量懸浮液滴于銅網(wǎng)上，干燥后再進(jìn)行觀測。

    采用日本理學(xué)Rigaku D/max2500v/pc型X射線衍射儀，CuKα輻射源（λ= 0.154056 nm），工作電壓40 kV，工作電流100 mA。石墨單色濾光片，狹縫SS 1°， RS 0.15 mm，記數(shù)器SC，掃描范圍2θ為5°~90°。實驗中采用粉末X射線衍射(XRD)分析方法，分析催化劑的XRD衍射譜圖，采用Jade5.0中的PDF-2004卡片比照衍射峰對應(yīng)的晶體。

采用英國Renishaw公司InVia-Reflex型激光顯微共聚焦Raman光譜儀，選用Nd：YAG鐳射激光發(fā)射器，激光光源強度為6mW，激發(fā)波長為532 nm。Raman分析通過分析分子的振動、轉(zhuǎn)動散射光譜，研究分子振動轉(zhuǎn)動能量和對稱性等結(jié)構(gòu)信息。

2實驗結(jié)果與討論

2.1不同制備方法對MoO₃/ZrO₂催化劑耐硫甲烷化活性的影響

    不同的方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑耐硫甲烷化性能的評價結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，在不同反應(yīng)溫度下3種方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的CO轉(zhuǎn)化率順序為燃燒法>共沉淀法>浸漬法，并且隨反應(yīng)溫度升高差距加大。在反應(yīng)溫度為300℃時，3種方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的CH₄選擇性相差不大；但在反應(yīng)溫度為400℃時，不同MoO₃/ZrO₂催化劑的CH₄選擇性順序為燃燒法>共沉淀法≈浸漬法。從評價結(jié)果可以看出燃燒法制得的催化劑的低溫耐硫甲烷化活性最佳。分析認(rèn)為，不同的制備方法可能影響MoO₃/ZrO₂催化劑的結(jié)構(gòu)以及活性組分Mo物種在ZrO₂載體表面的分散情況，進(jìn)而影響催化劑的耐硫甲烷化活性以及CH₄選擇性。

2.2催化劑表征結(jié)果

2.2.1催化劑N₂吸附-脫附表征

    對各樣品進(jìn)行N₂吸附-脫附表征分析，結(jié)果見表1。從表1中可以看出，3種方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的織構(gòu)性質(zhì)具有很大的差距，催化劑的比表面積大小關(guān)系為燃燒法>共沉淀法>浸漬法，孔容大小關(guān)系為共沉淀法>燃燒法>浸漬法，平均孔徑大小關(guān)系為浸漬法>共沉淀法>燃燒法。

    不同方法制得的催化劑的孔徑分布如圖2所示。由圖2可知，燃燒法和共沉淀法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的孔徑主要集中分布在2~5 nm，其中燃燒法制得的催化劑的孔徑分布較窄，而浸漬法制得的催化劑的孔徑分布范圍相對較寬。

    浸漬法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑比表面積較小，僅為29 m²·g^-1，說明催化劑在焙燒過程中發(fā)生了一定程度的燒結(jié)，這與文獻(xiàn)中結(jié)果相符^[6]。而燃燒法制備催化劑過程中乙二醇燃燒能快速釋放出大量的熱和氣體，較大的升溫速率以及大量的逃逸氣體有助于形成數(shù)量較多且孔徑較小的孔道。與浸漬法和共沉淀法相比，燃燒法制備的MoO₃/ZrO₂催化劑具有最大的比表面積，更有利于活性組分Mo物種的均勻分散。

2.2.2催化劑TEM表征結(jié)果

    圖3為不同方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的TEM表征結(jié)果。從圖3中可以看出，燃燒法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑顆粒尺寸明顯小于其他兩種方法制得的催化劑，并且存在較多的小孔道，可以明顯地看出MoO₃分散在ZrO₂載體表面，并未出現(xiàn)團簇堆積的現(xiàn)象。這也與N₂吸附-脫附表征結(jié)果相吻合，正是因為燃燒法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的顆粒尺寸小，所以比表面積較大，并且顆粒堆垛在一起所形成的平均孔徑小。圖3(b)中的共沉淀法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑存在部分團聚堆積現(xiàn)象，催化劑中也存在許多孔道，但孔道尺寸明顯比燃燒法制得的催化劑大，這也與BET結(jié)果中的平均孔徑的數(shù)據(jù)相吻合。圖3 (c)所示的浸漬法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑看不出明顯的孔道結(jié)構(gòu)，并且存在大面積的催化劑的堆積，這可能是由于浸漬過程中活性組分Mo物種分布不均造成的。

為了進(jìn)一步確定Mo元素和Zr元素在催化劑中的分布

    為了進(jìn)一步確定Mo元素和Zr元素在催化劑中的分布情況，對燃燒法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑進(jìn)行TEM的面掃表征，結(jié)果如圖4所示。圖4(c)和圖4(d)分別為Zr元素和Mo元素在區(qū)域中的分布情況，從圖中可以明顯地看出Zr元素和Mo元素在測試區(qū)域中均勻分布，進(jìn)一步說明燃燒法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑中Mo元素和Zr元素均勻分散。

2.2.3催化劑XRD表征結(jié)果不同方法制備的

    MoO₃/ZrO₂催化劑的XRD表征結(jié)果如圖5所示。如圖所示，結(jié)果中并未出現(xiàn)MoO₃對應(yīng)的特征峰，Li等^[3]認(rèn)為晶相的MoO₃高度分散在ZrO₂載體上。根據(jù)Schemer方程計算得到不同方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑中的ZrO₂晶粒尺寸，結(jié)果見表1。從表1中可以明顯地看到燃燒法制得的催化劑中的ZrO₂晶粒尺寸明顯小于其他兩種方法。燃燒法和共沉淀法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑中的ZrO₂均以四方相(T-ZrO₂)存在，但是燃燒法制得的催化劑中的ZrO₂的顆粒尺寸明顯小于共沉淀法。浸漬法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑的XRD譜圖中既存在四方相ZrO₂的特征峰又存在單斜相(M-ZrO₂)的特征峰，并且在28=23.20處出現(xiàn)ZrMo₂O₈的特征峰。這是由于MoO₃的負(fù)載量超過ZrO₂載體的單層飽和負(fù)載量，這也與El-Sharkawy等^[7]通過浸漬法獲得的MoO₃/ZrO₂催化劑的單層飽和負(fù)載量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%相符。此時ZrMo₂O₈的出現(xiàn)應(yīng)該是由于浸漬過程中活性組分Mo物種在ZrO₂載體表面分布不均，焙燒導(dǎo)致Mo與Zr之間形成穩(wěn)定的固熔體，這也是浸漬法制得的催化劑活性低的原因?？梢娙紵ê凸渤恋矸ㄖ苽涞腗oO₃/ZrO₂催化劑具有很大的優(yōu)勢。

2.2.4催化劑Raman表征分析

    為了進(jìn)一步驗證MoO₃在ZrO₂載體上的存在形式，對不同方法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑進(jìn)行Raman光譜分析，結(jié)果如圖6所示。900~1000 cm^-1區(qū)域主要為Mo=O鍵的特征峰，主要顯示ZrO₂載體表面的Mo物種。從700~1100 cm^-1范圍內(nèi)的Raman譜圖中可以看到，3種不同制備方法得到的MoO₃/ZrO₂催化劑在819 cm^-1處均出現(xiàn)晶相MoO₃的特征峰，但是浸漬法制得的催化劑Raman譜圖中此處的峰更加尖銳且峰強明顯高于其他兩種催化劑，這主要是由于浸漬法中ZrO₂載體比表面積小，其表面MoO₃物種含量多，這與BET表征結(jié)果相符。燃燒法和共沉淀法制備的MoO₃/ZrO₂催化劑在800~900 cm^-1和950~1000 cm^-1處均出現(xiàn)兩個MoO₃的較寬的特征峰，說明在催化劑中存在高度分散的晶相的MoO₃。共沉淀法制備的MoO₃/ZrO₂催化劑在1000 cm^-1處出現(xiàn)一個微弱的峰，說明此處部分Mo物種與ZrO₂載體表面形成高度扭曲的化合物，這會引起部分Mo物種難以還原硫化，可能是共沉淀法制備的MoO₃/ZrO₂催化劑活性低于燃燒法的原因。浸漬法制備的MoO₃/ZrO₂催化劑Raman譜圖中明顯存在748, 945和1000 cm^-1 3處ZrMo₂O₄的特征峰，在920~980 cm^-1之間并未出現(xiàn)明顯的MoO₂的特征峰，這與XRD的表征結(jié)果相吻合。浸漬法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑由于形成穩(wěn)定的ZrMo₂O₄化合物，導(dǎo)致還原硫化過程中難以生成活性組分MoS₂因此活性最差。

    從圖6中100~700 cm^-1范圍的Raman譜圖中可以看出，浸漬法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑分別在180，340，550 cm^-1處出現(xiàn)單斜相的M-ZrO₂的特征雙峰，同時148、644 cm^-1處附近的T-ZrO₂的特征峰較弱，說明浸漬法得到的催化劑中的ZrO₂主要以單斜相為主，僅存在少量四方相，這與之前的XRD表征結(jié)果相吻合。而用燃燒法和共沉淀法制得的MoO₃/ZrO₂催化劑中僅存在148、644 cm^-1處附近的T-ZrO₂的特征峰，這也與之前的XRD分析結(jié)果相吻合。

3結(jié)論

    與共沉淀法和浸漬法相比，燃燒法制得的15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MoO₃/ZrO₂催化劑具有比表面積大、孔徑小等特點，并且催化劑中各組分分布均勻，因此具有較高的低溫耐硫甲烷化活性。共沉淀法制得的15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MoO₃/ZrO₂催化劑甲烷化活性次之，原因是其比表面積較小且孔徑較大，為活性組分Mo物種提供的附著位點少。浸漬法制得的15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MoO₃/ZrO₂催化劑的比表面積最小，MoO₃負(fù)載量超過了ZrO₂載體表面的單層飽和負(fù)載量閡值，而且由于Mo和Zr之間的強相互作用力，形成了穩(wěn)定的化合物ZrMo₂O₈，使得硫化過程中產(chǎn)生的活性物種MoS₂的量較少，從而導(dǎo)致浸漬法制得的催化劑活性較差。

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