【摘 要】
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煤制天然气是基于我国能源现状实现能源高效利用,解决环境问题的有效途径。合成气甲烷化过程是煤制天然气的关键环节,其中Ni因其甲烷化活性好、选择性高,是最常用的活性金属。γ-Al2O3因其比表面积大和孔隙率高有利于活性金属分散,是甲烷化中最常用的载体。合成气甲烷化反应是强放热反应,Ni基催化剂长期在高温下运行将会烧结和积碳,影响催化剂活性。针对该问题,需要深入理解Ni基催化剂上甲烷化反应机理以及高温烧
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煤制天然气是基于我国能源现状实现能源高效利用,解决环境问题的有效途径。合成气甲烷化过程是煤制天然气的关键环节,其中Ni因其甲烷化活性好、选择性高,是最常用的活性金属。γ-Al2O3因其比表面积大和孔隙率高有利于活性金属分散,是甲烷化中最常用的载体。合成气甲烷化反应是强放热反应,Ni基催化剂长期在高温下运行将会烧结和积碳,影响催化剂活性。针对该问题,需要深入理解Ni基催化剂上甲烷化反应机理以及高温烧结机制,为提高催化剂的活性以及稳定性提供理论依据。本文基于ReaxFF反应分子动力学方法,研究Ni基催化剂上合成气甲烷化过程。首先针对Ni基催化剂合成气甲烷化过程,利用密度泛函（DFT）方法计算了反应物种的吸附能数据,并利用ReaxFF搜索基元反应的过渡态能垒及结构,将两者加入训练集中,开发了Ni-C/H/O力场参数。通过训练集中反应力场结果与DFT数据的对比,所开发的力场参数能够较为准确地预测含Ni/C/H/O元素的表面催化体系的性质。基于开发的力场参数,利用ReaxFF反应分子动力学研究Ni不同表面CHx（x=0～3）物种的转化过程,发现Ni（111）表面在高温和H覆盖度较低时,CHx物种容易解离,最终产生积碳。提高H覆盖度能够显著提高CHx物种加氢速率,抑制CHx物种解离。与Ni（111）表面相比,Ni（211）面甲烷化活性更高,但是积碳现象也更为严重。利用ReaxFF反应分子动力学研究Ni/γ-Al2O3催化剂的烧结过程,模拟结果显示Ni团簇在γ-Al2O3（110）表面上相对γ-Al2O3（100）表面稳定得多。温度越高、团簇间距越小Ni团簇烧结越快。通过对多个团簇的烧结过程模拟研究,发现大尺寸的Ni团簇在γ-Al2O3表面抗烧结能力更强,烧结机理为颗粒迁移,而不是Ostwald熟化。
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