甲烷化催化劑及反應(yīng)機(jī)理的研究進(jìn)展

陳玉春

摘 要：甲烷化反應(yīng)的主要原理是將CO和CO2在特定反應(yīng)環(huán)境和催化劑作用下轉(zhuǎn)換為CH4。在該化學(xué)反應(yīng)中，催化劑起到了非常關(guān)鍵性的作用。目前市場上用于甲烷化反應(yīng)的催化劑主要有Ni基催化劑、貴金屬催化劑以及非晶態(tài)催化劑，不同種類的催化劑在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣，工作人員可以根據(jù)甲烷生產(chǎn)作業(yè)的具體環(huán)境條件和生產(chǎn)效率要求來選擇催化劑的種類，提高甲烷的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：甲烷化反應(yīng);催化劑;反應(yīng)機(jī)理

甲烷化反應(yīng)是目前市場上批量生產(chǎn)甲烷氣體的重要反應(yīng)之一，該反應(yīng)在很多甲烷生產(chǎn)企業(yè)中都有著廣泛地應(yīng)用，為了可以進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)中甲烷物質(zhì)的生產(chǎn)效率，工作人員對甲烷化反應(yīng)中所涉及到的催化劑以及反應(yīng)機(jī)理等內(nèi)容展開了相應(yīng)的探究和試驗(yàn)。

1 甲烷化反應(yīng)概述

甲烷化反應(yīng)主要是指氫氣、一氧化碳、二氧化碳等物質(zhì)在特定溫度和催化劑的作用下生成甲烷和水，該反應(yīng)主要用于制作甲烷，其主要反應(yīng)特點(diǎn)表現(xiàn)為體積快速縮小、放出大量熱量等。

2 催化劑分析

2.1 Ni基催化劑

Ni基催化劑主要是以某一氧化物作為載體在化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮出較強(qiáng)的催化作用，常見載體主要有以下幾種：第一，Al2O3載體，該催化載體主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其表面積相對來說較大，且孔隙率高。工作人員在使用Al2O3載體進(jìn)行Ni基的催化反應(yīng)時，常常會在催化劑中添加適量的稀土元素，這樣可以在一定程度上提高該催化劑在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性;第二，SiO2載體，該催化載體的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)在于機(jī)械性較弱，因此工作人員可以在該類型催化劑中加入其它活性較強(qiáng)的載體，從而進(jìn)一步加強(qiáng)該催化劑的活性，提高催化效率[1];第三，ZrO2載體，從化學(xué)性質(zhì)上來劃分，該類型的載體屬于過渡型氧化物，其內(nèi)部組分之間在特定的條件下會產(chǎn)生電子作用力，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果我們可以得知，以ZrO2為載體的催化劑在甲烷化反應(yīng)中所體現(xiàn)出的催化效率非常高，但是其制作成本也較高，因此還未得到進(jìn)一步地推廣。

2.2 貴金屬催化劑

除了Ni基催化劑之外，貴金屬催化劑也常常被用于催化甲烷化反應(yīng)，并且在實(shí)際應(yīng)用中也取得了不錯的成效，該類型催化劑中比較常見的貴金屬有Ru金屬和Rh金屬，不同的貴金屬種類之間有著不同的作用效果，工作人員可以結(jié)合甲烷反應(yīng)的具體情況進(jìn)行選擇。貴金屬催化劑中Ru催化劑的應(yīng)用范圍作為廣泛，其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在具有良好的低溫活性，即使在低溫環(huán)境中也能發(fā)揮出良好的催化作用效果。

2.3 非晶態(tài)催化劑

該類型的催化劑在甲烷化反應(yīng)中的應(yīng)用頻率較低，其主要是指由一些具有特定順序的原子結(jié)構(gòu)堆積而成的新材料，由于該類型催化劑長期處于一種亞穩(wěn)定狀態(tài)中，因此可以有效地提高甲烷化反應(yīng)中的反應(yīng)活性，加快化學(xué)反應(yīng)速率。

3 反應(yīng)機(jī)理分析

3.1 以CO為主的甲烷化反應(yīng)

CO在甲烷化反應(yīng)中會在催化劑的作用效果中出現(xiàn)解離現(xiàn)象，以Ni基催化劑為例，CO分子會在Ni基催化劑所產(chǎn)生的催化作用中發(fā)生C-O化學(xué)鍵的斷裂，當(dāng)反應(yīng)物中CO氣體的濃度較低時，CO分子和H2分子之間會形成一種競爭關(guān)系，其都在不斷地爭取Ni基催化劑中所含有的活性物質(zhì)，在這個過程中一共發(fā)生了兩個化學(xué)反應(yīng)，分別為CO（a）→C（a）+O（a）和C（a）+H（a）→CH4，從這兩個反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)式中我們可以明確地看出CO分子先在催化劑作用下解離為C原子和O原子，而C再與H原子相結(jié)合生成CH4。在這個過程中，若CO氣體的濃度過低或者催化劑的作用效果較弱，則會使得催化效率顯著降低。因此工作人員需要根據(jù)CO氣體的濃度和甲烷化反應(yīng)的實(shí)際環(huán)境，選擇合適的催化劑，以求可以顯著提升甲烷化反應(yīng)的效率和轉(zhuǎn)化率[2]。

3.2 以CO2為主的甲烷化反應(yīng)

以CO2為主的甲烷化反應(yīng)與上述的CO甲烷化反應(yīng)相比多了一個化學(xué)反應(yīng)，CO2氣體需要先在催化劑的作用效果下與其他反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)，生成CO和其他生成物，再通過與H2反應(yīng)進(jìn)而生成甲烷CH4。在這個反應(yīng)過程中CO2會將CO作為中間反應(yīng)物，仍然以Ni基催化劑為例，在該催化劑的催化作用下，CO2可以在較短的時間內(nèi)發(fā)生分解反應(yīng)，分解為CO和O2。而CO分子又會被進(jìn)一步分解為活性炭和氧氣，最終C原子與H原子相互結(jié)合行為甲烷。其中CO作為該化學(xué)反應(yīng)中的中間物質(zhì)，其主要是通過水煤氣反應(yīng)制作而成的，CO2在向CO轉(zhuǎn)化的過程中主要會經(jīng)歷以下兩種不同的轉(zhuǎn)化途徑：第一，CO2-離子與H相結(jié)合;第二，CO2分子與H2相結(jié)合。上述兩種轉(zhuǎn)化途徑便是目前甲烷化反應(yīng)研究領(lǐng)域針對以CO2為主的甲烷化反應(yīng)比較認(rèn)可的兩種反應(yīng)機(jī)理。

4 結(jié)束語

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于石油、天然氣等資源的需求量越來越大。以石油資源為例，其在燃燒過程中會產(chǎn)生大量對生態(tài)環(huán)境有污染性的氣體，同時其屬于不可再生能源，儲存量有限，因此甲烷等新型能源逐漸取代了傳統(tǒng)能源來滿足人們的日常需求。而甲烷化反應(yīng)作為制作甲烷的主要依據(jù)，工作人員需要對該反應(yīng)的催化劑和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行熟練的掌握，為我國甲烷資源生產(chǎn)領(lǐng)域的未來發(fā)展添加助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李茂華，楊博，鹿毅等.煤制天然氣甲烷化催化劑及機(jī)理的研究進(jìn)展[J].工業(yè)催化，2014，22（01）：120-124.

[2]李軍，朱慶山，李洪鐘.基于甲烷化反應(yīng)的催化劑顆粒設(shè)計(jì)與過程強(qiáng)化[J].化工學(xué)報(bào)，2015，66（08）：2773-2783.