[发明专利]一种催化剂、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本申请涉及一种催化剂、制备方法及其在二氧化碳甲烷重整反应中的应用，属于化工领域。

背景技术

煤炭、石油和天然气是三大化石能源资源。我国煤炭资源丰富，但近些年煤炭开采和利用过程中对大气、土壤和地下水的污染越来越严重，限制了其大量使用。而我国石油储量少，必须依靠进口，导致石油使用成本偏高。近几年，随着我国页岩气矿储量跃居世界前列，天然气的开发利用越来越受重视，国家出台了相关政策鼓励天然气的综合高效利用，天然气的高效利用上升到国家战略层次。天然气除了可以直接作为燃料外，其主要成分甲烷可以经由合成气高效转化为具有高附加值的化工产品，如生产大吨位需求的氨、甲醇，也可生产烯烃、芳烃等液体燃料的中间体。

目前工业上生产合成气主要采用天然气为原料的方法，主要包括天然气部分氧化法和蒸汽转化法。天然气部分氧化法是一种比较耗能的方法，需要消耗大量氧气或空气作为原料气。如果不使用催化剂，反应温度高达1300～1400℃。即使使用催化剂，催化床层温度高约900～1000℃、而且反应需要在高压(3.0MPa)进行，对设备的耐高温耐高压要求苛刻。天然气间歇转化蒸汽法中反应过程最高温度高达1300℃，过程非常耗能。连续蒸汽转化虽然能耗比较低，但仍然对设备耐高温高压的要求较高。而且不管是间歇转化还是连续转化，原料气水蒸汽在高温条件下对设备的腐蚀会影响到设备的使用寿命，增加工艺成本。这些技术工艺路线普遍存在反应温度高、耗能高、对设备的耐高温耐高压耐水蒸气腐蚀要求苛刻等技术问题。因此，开发无水无氧工艺生产对合成气的工业生产具有重要的意义。

除了甲烷水蒸汽重整、甲烷部分氧化外，甲烷二氧化碳重整是近些来逐渐受到关注的合成气生产技术途径。甲烷二氧化碳重整路线的优势如下：(1)甲烷二氧化碳干重整过程无需氧气和水，对设备要求较低。(2)H_2/CO比值可调，更适合后续费托合成原料比例；反应可在650℃以上进行，能耗相对较低。(3)原料二氧化碳来源广泛，相比氧气廉价。该工艺过程在高效利用甲烷的同时实现了二氧化碳减排，具有显著的经济效益和环保效益。二氧化碳是煤炭及其下游产品高效利用的最终产物，如何实现二氧化碳的再生利用，变废为宝是煤炭清洁高效利用中非常重要的内容之一。该工艺有利于减少大气中二氧化碳的总量，缓解温室气体造成的环境压力，为我国减排提供了一种有效的方法。

要使惰性的甲烷和二氧化碳分子活化并进行定向转化，开发具有高活性、高选择性、高稳定性的低成本催化剂是关键。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种催化剂，以解决现有负载型金属催化剂在高温反应中易烧结和积炭而失活的问题。该催化剂作为二氧化碳重整甲烷反应的高温稳定催化剂，可制造合成气，实现二氧化碳减排和再生利用。在常压、800℃反应条件下，多级孔负载型金属催化剂表现出优异的综合催化性能，除了活性高、选择性好外，该催化剂稳定性非常好，兼具抗烧结和抗积炭性能。

所述催化剂，包括载体和分散在载体上的活性组分，其特征在于，所述载体选自无机氧化物中的至少一种，所述载体包含大孔和介孔；所述活性组分含有活性元素，所述活性元素包括铁系元素；

所述铁系元素为铁和/或钴。

优选地，所述大孔的平均孔径大于50nm，所述介孔的平均孔径为1nm～50nm。

优选地，所述大孔的平均孔径为1μm～2μm。

优选地，所述介孔的平均孔径为5nm～15nm。

优选地，所述载体的比表面积为100m²/g～350m²/g。

优选地，所述铁系元素中还包括镍。

优选地，所述活性元素中还包括贵金属元素。所述贵金属元素选自金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铂中的至少一种。进一步优选地，所述贵金属元素为铂、钌、金、铑中的至少一种。

贵金属与非贵金属(铁系金属)协同作用，使得多金属催化剂比非贵金属催化剂具有更优异的综合催化性能。一方面，引入贵金属活性组分，有利于非贵金属组分在载体中更好地分散，进一步降低活性金属组分颗粒的尺寸，增加活性位点数量，从而提高催化转化率。另一方面，活性金属颗粒的尺寸下降，增加了金属-载体相互作用，提升了催化剂的高温稳定性。