本發(fā)明涉及清潔能源，具體為一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人口增加，能源需求量也將持續(xù)增加，開(kāi)發(fā)高效清潔能源勢(shì)在必行。氫能作為最具前景的能源形式，具有高熱值、無(wú)污染，可再生的巨大優(yōu)勢(shì)。甲烷是天然氣的主要成分，是大規(guī)模工業(yè)化制氫最常用的原料，盡管天然氣重整已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟，但這種方法一方面會(huì)造成大量二氧化碳排放，不利于溫室氣體減排；另一方面，反應(yīng)進(jìn)行需要吸收大量的熱，能耗較高。因此，近年來(lái)，甲烷裂解制氫作為一種低能耗，低排放的制氫方法，被廣泛研究；

2、目前甲烷裂解制氫的研究重點(diǎn)主要集中在研制高效易得，價(jià)格低廉，穩(wěn)定性強(qiáng)的催化劑上，金屬催化劑催化活性較高，穩(wěn)定性較好，催化甲烷裂解轉(zhuǎn)化率較高，但金屬催化劑成本高，另外金屬催化劑在催化過(guò)程中會(huì)形成碳納米管，這些碳管將具有催化活性的金屬顆粒從載體表面推離開(kāi)，再生過(guò)程通常使用蒸汽去除積碳，這將導(dǎo)致金屬顆粒脫落，催化劑結(jié)構(gòu)被破壞，因此金屬催化劑很難再生。

3、而碳基催化劑則不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題，碳基催化劑在催化甲烷裂解過(guò)程中無(wú)金屬炭化物生成，使用高溫蒸汽，可去除表面生成的積碳，實(shí)現(xiàn)催化劑再生，大大提高了利用率，且碳基催化劑價(jià)格低廉，原料來(lái)源廣，耐高溫，抗硫及其它有毒雜質(zhì)。在碳基催化劑中，活性炭和炭黑顯示出廣闊的應(yīng)用前景，但也有一些亟待改善的問(wèn)題，如活性炭催化劑雖初始活性高，但失活迅速且后期活性過(guò)低，炭黑催化劑催化活性穩(wěn)定但其初始催化轉(zhuǎn)化率較低，為此，提出一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法，對(duì)具有不同失活表現(xiàn)的活性炭與炭黑材料開(kāi)展對(duì)比研究，探究活性炭失活與炭黑催化性能自增強(qiáng)的機(jī)理，建立降低活性炭載體失活速率的控制機(jī)制，進(jìn)一步提高甲烷催化裂解制氫的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本部分的目的在于概述本發(fā)明的實(shí)施方式的一些方面以及簡(jiǎn)要介紹一些較佳實(shí)施方式。在本部分以及本技術(shù)的說(shuō)明書(shū)摘要和發(fā)明名稱中可能會(huì)做些簡(jiǎn)化或省略以避免使本部分、說(shuō)明書(shū)摘要和發(fā)明名稱的目的模糊，而這種簡(jiǎn)化或省略不能用于限制本發(fā)明的范圍。

2、因此，本發(fā)明的目的是提供一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法，對(duì)具有不同失活表現(xiàn)的活性炭與炭黑材料開(kāi)展對(duì)比研究，探究活性炭失活與炭黑催化性能自增強(qiáng)的機(jī)理，建立降低活性炭載體失活速率的控制機(jī)制，進(jìn)一步提高甲烷催化裂解制氫的效率。

3、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

4、一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法，其包括如下步驟：

5、s1、材料準(zhǔn)備：

6、選擇和制備活性炭：選擇合適的活性炭作為催化劑基質(zhì)，多使用高比表面積和良好孔結(jié)構(gòu)的活性炭；

7、選擇和制備炭黑：選擇合適的炭黑品種，選擇高表面積和高導(dǎo)電性的炭黑；

8、s2、炭黑與活性炭的復(fù)合：

9、復(fù)合方法：

10、物理混合：將炭黑與活性炭按一定比例混合，通過(guò)物理混合得到復(fù)合催化劑；

11、浸漬法：將活性炭浸泡在炭黑的懸浮液中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)后，將其干燥得到炭黑增強(qiáng)的活性炭；

12、共沉淀法：在活性炭表面沉淀炭黑顆粒，提高炭黑在活性炭中的均勻分布；

13、s3、表征分析：

14、比表面積與孔結(jié)構(gòu)：使用bet分析法測(cè)定比表面積和孔體積，了解炭黑對(duì)活性炭孔結(jié)構(gòu)的影響；

15、表面元素分析：通過(guò)x射線光電子能譜分析表面元素的化學(xué)狀態(tài)，了解炭黑對(duì)活性炭表面官能團(tuán)的影響；

16、顯微結(jié)構(gòu)分析：使用掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡觀察催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和炭黑分布情況；

17、s4、催化性能測(cè)試：

18、甲烷裂解反應(yīng)：在高溫下，例如700-1000℃區(qū)間，進(jìn)行甲烷裂解反應(yīng)，測(cè)試催化劑的氫氣產(chǎn)率和催化活性；

19、穩(wěn)定性測(cè)試：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行甲烷裂解反應(yīng)，檢測(cè)催化劑的穩(wěn)定性和失活情況。

20、作為本發(fā)明所述的一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟s2中，炭黑與活性炭物理混合包括如下操作步驟：

21、a1、預(yù)處理：

22、篩分：將炭黑和活性炭分別篩分，以去除可能的團(tuán)聚物，確保顆粒的均勻性；

23、干燥：如果材料濕潤(rùn)，應(yīng)進(jìn)行干燥，以避免混合過(guò)程中材料結(jié)塊；

24、a2、混合：球磨機(jī)混合：將炭黑和活性炭按比例放入球磨機(jī)的研磨罐中，設(shè)定適當(dāng)?shù)难心r(shí)間和轉(zhuǎn)速，混合時(shí)間控制在1-2h，操作完成后，取出混合物并進(jìn)行篩分，確保均勻。

25、作為本發(fā)明所述的一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟s2中，炭黑與活性炭浸漬混合包括如下操作步驟：

26、b1、選擇和準(zhǔn)備材料：

27、選擇合適的活性炭與炭黑品種；

28、溶液準(zhǔn)備，將炭黑加入適量的溶劑，如去離子水或有機(jī)溶劑，并使用超聲波振蕩器幫助炭黑分散；

29、b2、浸漬：

30、配置浸漬液：將炭黑懸浮液按所需濃度準(zhǔn)備，炭黑的濃度在懸浮液中根據(jù)目標(biāo)負(fù)載量調(diào)整；

31、浸泡活性炭：將活性炭放入浸漬液中，確保活性炭完全浸沒(méi)在液體中，浸泡時(shí)間控制在1-8h之間，具體時(shí)間取決于炭黑的溶解性和活性炭的孔結(jié)構(gòu)；

32、b3、攪拌：

33、使用磁力攪拌器或其他攪拌設(shè)備攪拌浸漬液，確保炭黑在液體中的均勻分散，攪拌時(shí)間根據(jù)步驟b2中實(shí)際情況調(diào)整，通常需要1-2h，以避免炭黑沉淀。

34、作為本發(fā)明所述的一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟s2中，炭黑與活性炭共沉淀法包括如下操作步驟：

35、c1、材料準(zhǔn)備：

36、選擇高比表面積和孔結(jié)構(gòu)良好的活性炭，以及高比表面積和良好的分散性的炭黑，若使用的是炭黑的前驅(qū)體，準(zhǔn)備相應(yīng)的化學(xué)前驅(qū)體溶液，例如炭黑的前體溶液；

37、c2、溶液制備：

38、炭黑溶液：

39、分散：將炭黑加入適量的溶劑，如去離子水或有機(jī)溶劑，通過(guò)超聲波處理或攪拌使炭黑充分分散，炭黑的濃度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，通常在0.1-1％的濃度范圍內(nèi)；

40、活性炭浸泡液：

41、將活性炭預(yù)處理，進(jìn)行洗滌和干燥，以去除表面雜質(zhì)和增加其表面活性，并置于炭黑溶液內(nèi)；

42、c3、共沉淀過(guò)程：

43、制備前驅(qū)體溶液：

44、溶解：將炭黑的前驅(qū)體，如碳源前驅(qū)體)，溶解在適量的溶劑中，通常使用去離子水或其他合適的溶劑，形成均勻的溶液；

45、混合和沉淀：

46、混合：將炭黑溶液和活性炭一起加入前驅(qū)體溶液中，確保充分混合；

47、沉淀：通過(guò)調(diào)節(jié)沉淀?xiàng)l件，如ph值、溫度、沉淀劑的加入，促進(jìn)炭黑和活性炭的共同沉淀，沉淀劑可以是酸或堿；

48、c4、分離和洗滌：

49、分離：

50、使用過(guò)濾器將沉淀物從液體中分離出來(lái)，選擇合適的過(guò)濾介質(zhì)，確保炭黑和活性炭的分離；

51、離心：

52、如果沉淀物顆粒較小，可以使用離心機(jī)進(jìn)行分離，以提高分離效率；

53、清洗：

54、用去離子水或其他適當(dāng)?shù)娜軇┫礈斐恋砦?，以去除溶液中的殘留物質(zhì)，洗滌步驟可能需要多次進(jìn)行，直到洗液變清澈為止；

55、脫水：將洗滌后的沉淀物進(jìn)行脫水處理，可以使用離心機(jī)或過(guò)濾裝置；

56、c5、干燥和后處理：

57、干燥：

58、將分離后的沉淀物在烘箱中干燥。通常在100-120℃下進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間根據(jù)沉淀物的含水量和烘箱的性能來(lái)決定。確保干燥完全，以避免后續(xù)處理中的潮濕問(wèn)題；

59、炭化或還原：

60、對(duì)干燥后的復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，以提高其穩(wěn)定性和性能，常見(jiàn)的熱處理過(guò)程包括炭化、還原或高溫處理。

61、作為本發(fā)明所述的一種利用炭黑增強(qiáng)活性炭穩(wěn)定催化機(jī)理的研究方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述步驟s3包括如下操作步驟：

62、n1、通過(guò)調(diào)控活性炭和炭黑的反應(yīng)時(shí)間，收集不同時(shí)刻下含有不同積炭量的活性炭和炭黑樣品；

63、n2、對(duì)樣品進(jìn)行掃描電鏡、tem/hrtem等多尺度表征測(cè)試，采用x射線衍射對(duì)積炭結(jié)晶度進(jìn)行分析，從微納尺度上觀察積炭在活性炭及炭黑催化劑上的結(jié)構(gòu)特征、晶格缺陷及位錯(cuò)特征；

64、n3、對(duì)比不同時(shí)刻下積炭的形貌特征，觀察積炭在活性炭與炭黑表面上的尺寸結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，揭示積炭在活性炭與炭黑表面的微觀生長(zhǎng)過(guò)程；

65、n4、根據(jù)積炭的微觀結(jié)構(gòu)特征及其生長(zhǎng)過(guò)程，結(jié)合催化反應(yīng)速率的演變，探討不同積炭形貌與催化反應(yīng)速率的關(guān)系；

66、n5、辨識(shí)積炭與催化劑本體結(jié)合部位邊界，明確兩者之間的微觀過(guò)渡結(jié)合特征，根據(jù)活性炭、炭黑和積炭本身的微觀結(jié)構(gòu)特征，分析活性位點(diǎn)產(chǎn)生不同積炭特性的原因，闡明活性炭失活與炭黑催化性能自增強(qiáng)的機(jī)理。

67、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為：

68、對(duì)具有不同失活表現(xiàn)的活性炭與炭黑材料開(kāi)展對(duì)比研究，探究活性炭失活與炭黑催化性能自增強(qiáng)的機(jī)理，建立降低活性炭載體失活速率的控制機(jī)制，并通過(guò)研究炭黑增強(qiáng)活性炭的催化性能方案，進(jìn)一步提高甲烷裂解制氫的效率和催化劑的穩(wěn)定性。