化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

Co-Fe2O3[104]铁基载氧体优化体系作用下褐煤化学链燃烧特性

前期研究发现高弥勒指数晶面载氧体Fe₂O₃[104]具有高的化学链燃烧反应特性,且Co对煤及其热解中间产物具有催化气化和催化转化作用。通过正交实验优化制备Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃载氧体体系结构,开展Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃与褐煤的化学链燃烧,揭示载氧体与褐煤发生化学链燃烧的特性。结果表明:形貌控制制备的高弥勒指数晶面铁基载氧体Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃(质量分数10%)促进了褐煤化学链燃烧过程中氧的迁移速率以及载氧体的还原程度,进而显著提高了载氧体与褐煤化学链燃烧的反应速率及反应效率。进一步通过CO多循环化学链燃烧反应、XRD和TEM表征了Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃(10%)的可再生性及反应稳定性。     

基于甲烷脉冲法的Fe2O3-Al2O3载氧体还原特性研究

开发高效廉价铁基载氧体是天然气化学链重整制氢技术走向应用的关键。为探究高效铁基载氧体设计的基本依据,利用自行设计的脉冲反应器和气体产物全量同步在线分析系统,在800℃和无内外扩散影响的条件下研究了不同Fe₂O₃质量分数的Fe₂O₃-Al₂O₃载氧体的甲烷脉冲法还原特性。结果表明：Fe₂O₃的还原反应依两段机理进行,随载氧体颗粒内Fe₂O₃含量的多少可停止于Fe₃O₄,也可完全进行至FeO;气相产物中CO₂与CO的摩尔比随CH₄脉冲次数的变化规律也与Fe₂O₃含量密切相关。对用α-Al₂O₃粉末稀释高Fe₂O₃质量分数载氧体粉末的方法制备的低Fe_...     

Fe2O3/粉煤灰载氧体化学链燃烧实验与机理研究

提出了一种以粉煤灰为载体制备的新型铁基载氧体。采用同步热重分析仪、小型流化床以及DFT分别研究了新型载氧体的活性与热稳定性,发泡剂含量与反应温度以及粉煤灰主要组分之间的协同作用对新型载氧体性能的影响。研究结果表明,新型载氧体在以CO为燃料的化学链系统中具有较高的活性;新型载氧体较大的孔隙率以及粉煤灰多组分间的协同作用促使850℃下发泡剂含量为10.0%(质量)的新型铁基载氧体的最大转化率(84.9%)比Fe₂O₃/Al₂O₃的最大转化率(54.3%)高30%,且新型铁基载氧体在30个循环测试中表现出良好的热稳定性。载体制备采用的发泡剂含量以及反应温度对新型铁基载氧体性能影响很大,适当的发泡剂含量(约10%(质量))可提高新型载氧体性能。此外,高温下会造成载氧体的烧结现象。最后,采用密度泛函理论(DFT)研究了粉煤灰与载氧体之间的界面作用以及协同氧化CO的电子特性。计算结果表明,粉煤灰和Fe₂O₃之间的界面电荷转移使Fe₂O₃为电正性,促使CO在表面的相互作用,载体和活性组分之间的协同作用降低了载氧体与CO前线轨道能量差,进而促进了CO与Fe₂O₃的反应。     

Co-Fe2O3纳米载氧体作用下CO化学链燃烧富集CO2

制备了不同量级Co掺杂Fe₂O₃载氧体Co-Fe₂O₃,利用BET和TEM对载氧体结构进行表征。通过在不同温度下Co-Fe₂O₃与气体燃料CO的还原反应,考察Co-Fe₂O₃对CO化学链燃烧特性。结果表明,同一温度条件下,掺杂量越高,还原反应转化率越高;掺杂量不变的情况下,温度升高促使还原程度加深,缩短了载氧体完全还原转化的时间。根据TGA曲线进行了化学动力学分析,发现Co_0.2Fe还原反应过程在344.7～391.0℃和414.7～472.5℃温度范围反应动力学对应扩散控制的Jander方程模型,607.6～681.5℃温度范围对应二维扩散反应模型,并分别计算出相应模型的表观活化能和频率因子。结果可为化学链燃烧技术应用提供理论指导。     

以CeO2为载体的Fe基载氧体与CO反应机理模拟

化学链燃烧技术是一种新型的近“零碳”排放燃烧技术,载氧体在化学链燃烧反应过程中发挥着载氧和传热的双重作用。以活性催化组分为载体,通过调谐微观结构提高Fe基载氧体的反应性能是目前化学链领域的研究热点之一。基于密度泛函理论,以CeO₂为活性催化载体,对Fe基载氧体进行催化调谐。通过优化构建组合物模型,系统分析了组合物模型中Fe₂O₃团簇不同点位吸附CO的态密度、吸附能、差分电荷密度和活化能等电子结构特性参数。研究结果表明,Fe₂O₃团簇的电子向CeO₂(111)表面转移,Fe₂O₃团簇的吸附能为-3.92 eV,Fe₂O₃团簇与CeO₂(111)表面稳定结合;态密度(DOS)分析发现负载后的Fe₂O₃团簇p和d轨道在-8～0 eV电子向费米能级方向迁移,表明吸附作用增强。Fe₂O     

化学链过程中Cu低浓度掺杂改性Fe-基载氧体反应性能：实验与理论模拟

基于热重实验（TGA）和密度泛函理论（DFT）计算，对Cu低浓度掺杂Fe₂O₃载氧体（Cu-Fe₂O₃）与H₂在化学链燃烧过程中反应活性和微观分子反应机理进行研究。TGA结果显示，Cu低浓度掺杂降低Fe₂O₃载氧体与H₂反应表观活化能E_a （从83.9 kJ/mol降低至72.3 kJ/mol），因此，低浓度Cu掺杂由于原子尺度Cu掺杂缺陷的引入的确提高了Fe₂O₃载氧体转化率和晶格氧释放速率。DFT计算从分子水平证实Cu低浓度掺杂改变了Fe₂O₃载氧体与H₂反应路径，路径分析表明，Cu掺杂使Fe₂O₃载氧体与H₂反应能垒从2.30 eV分别降低至1.81 eV（Fe原子top位反应）和1.68 eV（Cu原子top位反应），Cu掺杂的Fe-基载氧体的氢还原反应优先发生在掺杂的Cu原子位，其次为Fe原子位。此外，计算结果表明，因Cu-O和Cu-Fe键的引入，低浓度Cu掺杂改变了Fe₂O₃载氧体微观结构，这对于载氧体的晶格氧快速释放是有利的。     

基于铁基载氧体的无烟煤化学链燃烧过程中硫分布特性

在间歇式固定床反应器上,基于Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体,研究了还原阶段反应温度和Fe₂O₃负载量对无烟煤化学链燃烧产物及S元素分布的影响。研究结果表明,含碳气体释放量随反应温度升高而增加,随Fe₂O₃负载量先增加后减少。产物中CO₂比例随反应温度升高先增加后减少,在850℃时达到最高（37.6%）。在实验条件下,未检测到SO₂生成。反应2 h时,载氧体中S元素的富集程度随温度和Fe₂O₃负载量升高而增加;5.5 h时,载氧体中S元素分布比例随温度升高而显著降低。利用SEM分析了载氧体表面微观形态结构。分析表明,Fe₂O₃负载量大于40%会导致载氧体轻微烧结。     

化学链气化中准东煤灰对CaSO4载氧体改性及其作用机理

以CaSO₄为载氧体，采用机械混合法制备了将军庙煤灰修饰的CaSO₄-Ash复合载氧体。借助TG-MS考察复合载氧体CaSO₄-Ash与将军庙煤的化学链气化反应特性，并对将军庙煤灰改性CaSO₄载氧体的作用机理进行了研究。结果表明：将军庙煤灰对CaSO₄载氧体有一定的改性作用。900℃时，与纯CaSO₄载氧体相比，CaSO₄-Ash复合载氧体表现出良好的反应活性和稳定性，CaSO₄-Ash复合载氧体化学链气化产生的CO量明显增多，产率也更加稳定。X射线衍射分析表明，CaSO₄-Ash复合载氧体中存在少量的Ca₂Fe₂O₅和Fe₂O₃，它们附着在CaSO₄表面，作为CaSO₄晶格氧传输的中介，起到促进CaSO₄晶格氧迁移...     

基于化学链燃烧的转炉放散煤气利用研究

在固定床反应器和热重分析仪上对浸渍法制备的过渡金属氧化物载氧体MnO₂/Al₂O₃、Fe₂O₃/Al₂O₃和CuO/Al₂O₃与转炉放散煤气中CO的反应特性进行了研究，并结合比表面积分析、脉冲化学吸附和扫描电镜等手段表征了CuO/Al₂O₃的循环寿命性能。结果表明，在上述三种载氧体中CuO/Al₂O₃表现出了最佳的反应活性，反应进行2 min时的CO转化率在225℃以上的反应温度下就能达到90%。在350℃、还原反应空速4000 h^-1和氧化反应空速159 h^-1的条件下，CuO/Al₂O₃能够保持良好且稳定的CO脱除性能和机械强度，因而具有良好的循环寿命。据此，提出了基于化学链燃烧的转炉放散煤气利用新工艺，本工艺可安全利用间歇排放的转炉放散煤气，并实现对用户的连续供热。     

Reactivity of low-concentration Cu-doped modified Fe-based oxygen carrier in chemical looping: experiments and theoretical simulations

Based on thermogravimetric experiment (TGA) and density functional theory (DFT) calculations, the reaction activity and microscopic molecular reaction mechanism of Cu low-concentration doped Fe₂O₃ oxygen carrier (Cu-Fe₂O₃) and H₂ in the process of chemical looping combustion were studied. TGA results showed that the low concentration of Cu-doped reduced the apparent activation energy of Fe₂O₃ reaction with H₂ (from 83.9 kJ/mol to 72.3 kJ/mol). And improved the conversion rate and lattice oxygen release rate of Fe₂O₃ oxygen carrier, which was attributed to the introduction of Cu element. From the atom/molecular level, DFT calculations verified that the low concentration of Cu-doped altered reaction pathway of Fe₂O₃ oxygen carrier reaction with H₂. The calculation results showed that the energy barrier of Fe₂O₃ oxygen carrier reaction with H₂ decreased from 2.30 eV to 1.81 eV (Fe atom top site) and 1.68 eV (Cu atom top site), respectively. The reaction preferentially occurred at the Cu atom site, followed at Fe atom site. Furthermore, the micro-structure characteristic change of Fe₂O₃ oxygen carrier (Cu—O and Cu—Fe bonds introduced) is more favorable for the rapid lattice oxygen release in chemical looping process.     

Effects of ZrO2/Al2O3 properties on the catalytic activity of Pd catalysts for methane combustion and CO oxidation

Zirconia supported on alumina was prepared and characterized by BET surface area, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectra (XPS), temperature programmed desorption (TPD), and pulse reaction. 0.2% Pd/ZrO₂/Al₂O₃ catalyst were prepared by incipient wetness impregnation of supports with aqueous solution of Pd(NO₃)₂. The effects of support properties on catalytic activity for methane combustion and CO oxidation were investigated. The results show that ZrO₂ is highly dispersed on the surface of Al₂O₃ up to 10 wt.% ZrO₂, beyond this value tetragonal ZrO₂ is formed. The presence of a small amount of ZrO₂ can increase the surface area, pore volume and acidity of support. CO–TPD results show that the increase of CO adsorption capacity and the activation of CO bond after the presence of ZrO₂ lead to the increase of catalytic activity of Pd catalyst for CO oxidation. CO pulse reaction results indicate that the lattice oxygen of support can be activated at lower temperature following the presence of ZrO₂, but it does not accelerate the activity of 0.2% Pd/ZrO₂/Al₂O₃ for methane combustion. 0.2% Pd/ZrO₂/Al₂O₃ dried at 120 °C shows highest activity for CH₄ combustion, and the activity can be further enhanced following the repeat run. The increase of treatment temperature and pre-reduction can decrease the activity of catalyst for CH₄ combustion.     

化学链干重整联合制氢热力学分析及实验

提出了一种化学链甲烷干重整联合制氢工艺。该工艺由还原反应器、干重整反应器、蒸汽反应器和空气反应器组成，在实现制氢的同时获得可变H₂/CO比的合成气。借助ASPEN plus软件和小型流化床实验台，在等温条件下，温度900℃，采用Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体，对该工艺进行热力学分析和实验验证。结果显示，当铁氧化物被还原至FeO/Fe时，干重整反应器内甲烷转化率可以达到98%，CO产率可以达到94%。干重整反应器中同时发生甲烷干重整和部分氧化反应，载氧体内部晶格氧可以有效降低积炭并提高合成气H₂/CO比。积炭发生于晶格氧消耗殆尽时。积炭进入蒸汽反应器，发生气化反应，降低氢气纯度。     

Enhanced activity of an In–Fe2O3/H-ZSM-5 catalyst for NO reduction with methane

Selective reduction of NO by CH₄ on an In–Fe₂O₃/H-ZSM-5 catalyst was investigated in the presence of excess oxygen. Compared with In/H-ZSM-5, the In–Fe₂O₃/H-ZSM-5 catalyst with high Fe₂O₃ contents showed higher activity in a wide range of reaction temperatures. It was found that the addition of Fe₂O₃ yielded a promotion effect on CH₄ activation. The influence of water vapor on NO conversion was also investigated. The activity of the In/H-ZSM-5 catalyst has been found to be strongly inhibited by water vapor, while the In–Fe₂O₃/H-ZSM-5 catalyst remained fairly active in the presence of 3.3% steam.     

Ni-Mn/Al2O3催化剂在浆态床中CO甲烷化催化性能

采用共浸渍法制备了Ni-Mn/Al₂O₃催化剂,考察了助剂Mn的含量对催化剂结构及浆态床CO甲烷化性能的影响。采用XRD、H₂-TPR、BET、TEM、H₂-化学吸附等表征对催化剂进行了测试分析,结果表明,Mn助剂的引入能够促进Ni物种在载体表面的分散,减弱Ni物种与载体的相互作用,降低催化剂的还原温度,提高催化剂的比表面积,减小活性金属Ni的晶粒尺寸。随着Mn含量的增加,Ni-Mn/Al₂O₃催化剂的甲烷化性能先升后降,其中以Mn含量为4%（质量分数）时的催化甲烷化性能最佳,添加过量的Mn导致活性组分Ni被部分覆盖,催化甲烷化性能下降。通过对16Ni4Mn/Al₂O₃催化剂样品的浆态床反应温度及反应压力的研究发现,当反应温度为280℃、反应压力为1.5 MPa时,催化剂样品16Ni4Mn/Al₂O₃的CO转化率及CH₄选择性分别达到96.2%和88.8%。