铁基六铝酸盐氧载体在甲烷化学循环系统中的应用

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1、分类号：TQ519学校代码：10697密级：公开学号：201531512专业学位硕士论文SPECIALIZEDMASTER’SDISSERTATION铁基六铝酸盐氧载体在甲烷化学循环系统中的应用学科名称：化学工程专业学科类别：工程硕士作者：孙雪艳指导老师：李爽/朱燕燕副教授王晓东研究员西北大学学位评定委员会二○一八年Fe-basedhexaaluminatesasoxygencarriersformethanechemical-loopingsystemAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartial

2、fulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinChemicalEngineeringByXueyanSunSupervisor:ShuangLi/YanyanZhuAssociateProfessorXiaodongWangProfessorJune2018西北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行

3、检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》或其它相关数据库。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：2018年6月13日2018年6月13日-------------------------------------------------------------------------------------------------西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

4、成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：2018年6月摘要摘要甲烷化学循环燃烧（CLC）是一种新型的低能耗CO2零排放技术，甲烷化学循环干气重整（CLDR）是在CLC基础上发展而来的一种将温室气体CO2资源化利用制取高品质合成气的新型技术。CLC和CLDR系统均包括两个反应器：还原反应器和氧化反应器，氧载体在两个反应器之间循环流动

5、是系统运行的关键。铁因其来源广泛、价格低廉、环境友好而被认为是比较理想的活性组分。六铝酸盐材料因其独特的层状晶体结构，被认为是最具应用前景的高温催化材料之一。本论文以六铝酸盐氧载体为基础，通过对Fe取代量和不同金属离子取代的调控，制备了Sn取代的六铁酸盐和不同离子取代的铁基六铝酸盐，分别考察了其应用于CLC和CLDR系统的反应性能，同时结合多种手段（XRD、SEM、TEM等）对氧载体进行表征，期望建立铁基六铝酸盐氧载体的CLC或CLDR反应性能与其微观结构之间的关联，为氧载体的优化设计提供理论指导。以Fe全部取代的BaFe12O19六铁酸盐为基

6、础，考察了Sn取代量对BaFe12-xSnxO19氧载体结构和CLC反应性能的影响。结果发现引入Sn的样品同样形成了MP型六铝酸盐结构，+4价Sn进入六铝酸晶格中补偿了正电荷的不足，抑制了BaFe2O4尖晶石相的形成；此外，Sn取代的样品在氧化还原循环过程中展现了较高的CH4转化率、CO2选择性和实际出氧量Ot，并且随着Sn取代量的增大，样品的CLC性能随着循环次数的增大而提升的趋势越来越明显，其中BaFe11.4Sn0.6O19样品的CH4转化率和实际出氧量在循环反应中提升最快，同时CO2选择性在整个循环过程始终保持为100%。考察了不同焙烧

7、温度（900-1200oC）对La-Fe-Al-t（La:Fe:Al=1:3:9）氧载体结构和CLDR反应性能的影响。结果发现不同焙烧温度和CH4/CO2氧化还原处理均会显著影响样品的微观结构，从而影响样品的CLDR性能。经过900和1000oC焙烧的样品在氧化还原过程中反复发生相分离，金属Fe和FeAl2O4的出现导致严重的CH4裂解；经过1100和1200oC焙烧的纯相六铝酸盐样品在氧化还原过程中表现出良好的晶相稳定性，但是过高的焙烧温度（1200oC）导致样品烧结，从而抑制了晶格氧从体相到表面的移动导致积碳产生，只有经过1100oC焙烧的

8、具有适中晶粒尺寸的La-Fe-Al-1100六铝酸盐表现出良好的氧移动性，在10次CH4/CO2还原氧化循环过程中表现出优异的活性和稳定性，产生H2/