摘要
全球钢铁行业的二氧化碳（CO2）排放量高达三亿吨，约占全球CO2排放总量的7%-9%，同时，不可避免地会产生大量的矿渣副产品。目前矿渣再利用技术附加值较低，因此，对矿渣的资源化利用是当今钢铁行业面临的研究热点。本文提出了利用矿渣制备CO2加氢制甲烷催化剂的高附加值工艺。本研究以矿渣为载体，采用初湿浸渍法制备了矿渣基单金属和CeO2改性Ni金属催化剂；采用悬浮分散固化法制备了矿渣基地质聚合物微球载体，并将地质聚合物微球负载CeO2改性Ni金属制成矿渣基地质聚合物催化剂，然后将催化剂用于CO2加氢制甲烷反应。研究中采用了透射电子显微镜（TEM）、X-射线光电子能谱（XPS）、氢气程序升温（H2-TPR）、原位红外光谱仪（InsituDRIFTS）等表征手段对矿渣基Ni金属催化剂的物理化学性质进行了表征。主要研究内容如下： （1）以矿渣（BFS）为催化剂载体，采用初湿浸渍法制备不同负载量的Ni基催化剂，分别表示为10%Ni/BFS、15%Ni/BFS和20%Ni/BFS，并用于CO2加氢制甲烷反应。考察了负载量和反应温度对矿渣基Ni金属催化剂对催化性能的影响。在反应压力（Pa）=1.0bar、质量空速（WHSV）=12000mL·g?1·h?1条件下进行的催化活性测试得出Ni负载量以及反应温度会影响催化活性，三个不同Ni负载量的催化剂中催化活性最优的15%Ni/BFS催化剂在450℃时CO2转化率（XCO2）和甲烷选择性（SCH4）分别达到了70.6%和99.6%，其催化活性明显优于10%Ni/BFS和20%Ni/BFS催化剂。 （2）以硝酸改性后的矿渣作为催化剂载体，采用共浸渍法进行15wt.%Ni的活性金属负载和15wt.%CeO2的金属氧化物负载，制得矿渣基CeO2改性Ni金属催化剂，并将其用于CO2加氢制甲烷反应。在Pa=1.0amp;nbsp;bar，WHSV=12000mL·g?1·h?1条件下，Ni-CeO2/hBFS催化剂在350℃时表现出优异的催化性能，XCO2和SCH4分别达到了81.6%和99.8%，400℃时XCO2和SCH4最高，分别达到了82.5%和99.8%。与Ni/hBFS催化剂在450℃时的最佳催化活性相比，Ni-CeO2/hBFS催化剂在400℃时达到最佳催化活性。研究表明CeO2的加入对稳定镍纳米颗粒，提高镍纳米颗粒的分散度、稳定镍纳米颗粒、促进Ni物种的还原程度、降低反应活化温度、提高热稳定性等方面发挥了重要作用，这些发现有助于开发低温下高效的CO2甲烷化催化剂。 （3）采用n(KOH):n(K2CO3)=3:1溶液激发矿渣一锅法合成地质聚合物浆料，再用悬浮固化法将其制成微球。采用共浸渍法负载15wt.%Ni和15wt.%CeO2，制得矿渣基地质聚合物微球催化剂，筛分出一定目数的催化剂用于CO2加氢制甲烷反应。在Pa=1.0bar、WHSV=12000mL·g?1·h?1的条件下，Ni-CeO2/SGS催化剂在低至350℃时表现优异，XCO2和SCH4分别达到83.0%和99.9%，400℃时XCO2和SCH4最高，分别为84.6%和99.7%，其催化活性高于Ni-CeO2/hBFS催化剂。因此，SGS比hBFS载体更有利于CO2甲烷化反应，这是因为SGS作为一种碱性载体能够加强CO2的吸附和活化。这也证明了在实际的生产应用中，合理利用载体的吸附特性可以在相同金属总含量的前提下，提高反应的转化率和产物的选择性，同时为将实验室催化剂转化为工业催化剂提供了新的思路。 本研究为矿渣的CO2减排和高附加值利用提供了一条有效的途径，并研制出了催化活性和稳定性优异的CO2甲烷化催化剂，在CO2甲烷化反应中具有较大的工业应用潜力。
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