本发明专利技术涉及一种将催化剂体系用于对气态烃流的氧化处理的方法，其中积碳得到缓解。该体系包括沉积在氧传导相上的催化活性相，具有或不具有补充载体。催化活性相具有特定的晶体结构，其中至少一种催化活性金属为在晶体结构中的阳离子并且在晶体结构中与氧原子配位。基于特定的烃转化率和碳沉积限度，催化剂体系具有适于设定的氧化条件的最佳覆盖率。公开了催化剂体系的具体实施方式。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有缓解积碳有害作用的、将催化剂体系用于对气态烃流体的氧 化处理的方法。该体系包括沉积于氧传导相上的催化活性相，其具有或不具有补充载体。催化活性相具有特定的晶体结构，其中至少一种催化活性金属为在晶体结构中的阳离子并且在晶体结构中与氧原子配位。基于特定的烃转化率和碳沉积限度，催化剂活性相以相对于设定氧化条件的最佳覆盖率沉积在氧传导相上。覆盖率可以为具有相对恒定的体积-表面积的沉积催化活性相位点数、催化活性相或氧传导相的体积与表面积的比或其它可以想到的手段的函数。具体的烃转化率和碳沉积限度由用户优化以适于特定的氧化条件。氧化处理可以为例如部分氧化、蒸汽重整、CO2重整、燃烧或其组合。公开了催化剂体系的具体实施方式。
技术介绍
由于积碳而导致的催化剂失活是用于烃燃料重整的催化剂的设计和制备中最困难的挑战之一。碳沉积通过阻塞活性位点而降低了催化剂的活性，导致催化剂颗粒的损耗以及压力的不断降低以及最终处理过程的不连续。碳可通过例如烃分解以及CO歧化容易地形成。在负载金属催化剂如Pt或Ni沉积在相对非氧传导相如氧化铝上，碳在载体上累积并且当累积一定的量时开始阻塞活性位点，迅速钝化催化剂。这种趋势与载体上的酸位点浓度有关。另外，某些催化活性金属例如Ni在载体上分散形成纤维状的碳，在操作条件下，其趋于使催化剂从载体上快速地升高。已经表明，降低Ni金属颗粒的尺寸减缓了碳丝的累积速率。因此，通常认为载体和活性金属对于催化剂的稳定性至关重要。参见例如Lercher等人的"Design ofstable catalysts for methane-carbon dioxide reforming, " Ilth InternationalCongress on Catalysis_40th Anniversary,Studies in Surface Science and Catalysis101(1996) o还可以理解的是，在催化剂表面上形成稳定的碳网络之前，通过将碳原子氧化至CO或CO2可以减少积碳。在催化剂和气态流体间的详细氧交换机理已经在很多完全不同的步骤中提出，其通过活性金属位点上氧离解吸附开始。提出了氧的交换率受在活性金属颗粒上的氧的吸收-解吸控制，并且活性金属颗粒作为后续氧移至载体的通道。超出该点的积炭环节和形成CO或CO2的碳-氧间具体反应尚未被充分离解，然而，在某些催化剂中，已经证实了形成CO或CO2所需的氧由在大量催化剂内的晶格氧生成。例如，在利用钆掺杂二氧化铈载体的评估中，18O和16O同位素的交换研究表明，使用Rh催化剂的甲烷部分氧化最初主要生成C18O,表明形成CO所需的氧源于催化剂。参见Salazar-Villapandoet al. , ' Role of lattice oxygen in the partial oxidation of methane overRh/zirconia-doped ceria. Isotopic studies" International Journal of Hydrogenenergy35 (2012)，其全部内容通过弓丨用结合引入本专利技术。另外，可以理解的是，某些氧化物可以在没有负载金属的存在下直接将18O和16O 与气态流体交换。参见例如，Martin et al. , " Mobility of Surface Specieson Oxide. I. Isotopic Exchange of 18O2 with 16O2 of SiO2, Al2O3, ZrO2, MgO, CeO2, andCeO2-Al2O3.Activation by Noble metales. Correlation with Oxide Basicity ",J. Phys. Chem. 100(1996).活性金属位点分散在氧传导相上以缓解积碳。在这些催化剂中，活性金属位 点直接沉积在氧传导相上，并且在载体上分离金属的负载是基于避免源于金属自身反应性的现象。例如当不受晶体结构束缚时，金属位点倾向于与邻近的金属位点熔结，与氧传导相反应形成金属互化物，或者参与到降低催化剂性能的其它热力学促进反应中。典型地，当负载发生变化以及评估这些分散的金属催化剂的性能时，最佳点定义为可以最大化活性金属含量同时避免金属位点自身劣化倾向(如熔结/金属互化物形成或其它反应)的某些负载，以提供具有可接受比例的碳沉积的活性和选择性。在这些情况下，金属位点自身的性能而不是通过与氧传导相作用的碳氧化物成为限制点。例如，可能发生这样的情况，其中给定的金属负载提供基本完全的碳氧化，但在该特定负载下的金属位点响应导致催化剂迅速钝化。参见例如，Ruckenstein et al. , " Carbon Deposition and Catalytic Deactivationduring CO2 reforming of CH4 over Co/Y-Al2O3Catalysts〃 , Journal of Catalysis205(2002).提供如下催化剂体系将是有利的在该催化剂体系中，活性催化组分能够以缓解与熔结、金属互化物形成或通常认为是对载体负载有限制性影响的其它反应相关的顾虑的方式分散在氧传导相上。在适用的操作条件下赋予活性金属位点足够的稳定性，将在活性金属负载以及活性金属与氧传导相的相对量方面提供额外的自由度，全面改善了催化性能。如果分散的活性金属位点和氧传导相之间的关系提供对转化率、产品组成和氧化过程中的碳沉积的优化，在预期使用寿命内增强了催化剂体系的性能，则将是更加有利的。如果催化剂体系结合了在晶格结构内所束缚的活性金属位点与基于具体应用的氧化条件的氧传导相之间的操作模式，以使该催化剂体系准备好用于基于具体应用和最终用户喜好的性能，则是进一步有利的。因此，本专利技术的目的之一是提供一种催化剂体系，其具有沉积在氧传导固体上的催化活性相，其中催化活性相结合了束缚于主体结构晶格中的活性金属位点。进一步地，本专利技术的目的之一是提供一种催化剂体系，从而具有活性金属位点的晶体结构能够以提供积炭得到缓解的最佳产品组成的方式分散在氧传导相上。进一步地，本专利技术的目的之一是提供一种方法，通过该方法，可以针对具体的氧化处理应用确定催化活性相在氧传导相上的最佳覆盖率。进一步地，本专利技术的目的之一是提供一种方法，通过该方法，可基于在活性位点处的催化反应，优化含烃气态流体与氧化剂间的氧交换，从而克服熔结、金属互化物形成或通常认为是对金属负载的限制性影响的其它反应。进一步地，本专利技术的目的之一是提供一种方法，其用于获得束缚于晶格结构内的活性金属位点与基于具体应用中的氧化条件的氧传导相之间的操作模式，以制备适于基于具体应用和最终用户喜好的性能的催化剂体系。参考相应的说明书和权利要求，可以更好地理解本专利技术的这些和其它目的、方面以及优点。
技术实现思路
本专利技术所述的处理是一种积碳得到缓解的、将催化剂体系用于气态烃流氧化处理的方法。所述体系包括沉积在氧传导相上的催化活性相，其具有或不具有补充载体。基于特定的烃转化率和碳沉积限度，对于设定的氧化条件，催化活性相以最佳的覆盖率沉积在氧传导相上。覆盖率可以为具有相对本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·A·贝里，杜什扬特·谢卡瓦特，马克·史密斯，丹尼尔·海恩斯，
申请(专利权)人：美国能源部，
类型：
国别省市：
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