形貌可控氧化铈对甘油水蒸气重整制氢Ni基催化剂强锚定提高催化稳定性机制的探究
陆继长¹，王云珠¹，朱松山¹，何素芳¹，罗永明^1,*
1 昆明理工大学, 昆明，650000
*Tel: 18213453514; Email: lujichangc7@kust.edu.cn
随着社会经济的发展，全球能源需求持续增长。然而，随着化石燃料资源储量的不断减少以及化石燃料资源开发带来的环境问题越来越制约社会发展，寻求可持续的能源资源成为解决当前发展困局的必要选择^[1]。氢能因其燃烧清洁、能量密度高而被认为是理想的能量载体，因此被带到了科学界的研究前沿。作为可再生的氢能源载体，生物柴油副产物甘油因其体量大，易于存储，比能量高等优点被广泛应用于蒸气重整制备氢气的研究中。同时，镍基催化剂因其优异的断键性能(-CH₃，-CH₂, O-H，-C-C)，以及低廉的成本和丰富的储量，已被广泛研究用于蒸气重整制氢体系中^[2]。通过文献调研发现，CeO₂因其优异的氧化还原性能及突出的储氧能力被广泛应用在多相催化体系中^[3,4]。但是关于甘油蒸气重整制氢反应中金属/氧化铈催化剂中氧化铈形态的影响的研究很少。
本研究采用水热法制备了三种不同形貌的CeO₂载体,即纳米球形(CeO₂-NS)、纳米棒(CeO₂-NR)和纳米立方体(CeO₂-NC) ( Fig. 1.)，并将镍负载在CeO₂载体上制备不同形貌的Ni/CeO₂催化剂同时用于甘油水蒸气重整制氢。N₂吸附-脱附、SEM、TEM、HRTEM、XRD、XPS、H₂-TPR、Raman、H₂-chemisorption、CO-oxidation、TGA、O₂-TPO等表征手段被用来探究不同状态下(煅烧、还原和使用后)的催化剂结构性能和表面性能变化。表征结果表明，不同形貌催化剂在缺陷数量、镍颗粒大小，镍分散度以及金属镍与二氧化铈载体的相互作用方面均存在明显差异。球形催化剂Ni/CeO₂-NS上的镍颗粒更小、镍分散度更高，暴露的活性比表面积更大及TOF更高，其可归因于更多的缺陷位及强的金属-载体作用力有利于锚定镍颗粒，抑制镍颗粒烧结。因此球形催化剂(Ni/CeO₂-NS) 表现出最佳的催化活性和稳定性 ( Fig. 2.)，其在500 ℃条件下甘油转化率几乎达到100 %，且保持28个小时基本不失活。此外对反应后催化剂进行表征发现Ni/CeO₂-NS上积碳量最少，且以未包覆催化剂的纤维状碳为主，表明Ni/CeO₂-NS中强的氧储存能力有利于积碳的去除。

关键字：纳米结构CeO₂，Ni/CeO₂, 蒸气重整，制氢，积碳

参考文献:
[1] B. Dou, Y. Song, C. Wang, H. Chen, Y. Xu, Renew. Sustain. Energ. Rev. 30 (2014) 950-960.
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纳米结构CeO2，Ni/CeO2, 蒸气重整，制氢，积碳