Nickel nanoparticles supported on nitrogen–doped carbon nanotubes are a highly active, selective and stable CO2 methanation catalyst

甲烷化 催化作用 材料科学 煅烧 碳纳米管 空间速度 化学吸附 化学工程 纳米颗粒 选择性 氮氧化物 无机化学 核化学 纳米技术 化学 冶金 有机化学 燃烧 工程类
作者
Julian Gödde,Mariia Merko,Wei Xia,Martin Muhler
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:54: 323-331 被引量:39
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2020.06.007
摘要

CO2 methanation using nickel-based catalysts has attracted large interest as a promising power-to-gas route. Ni nanoparticles supported on nitrogen-doped CNTs with Ni loadings in the range from 10 wt% to 50 wt% were synthesized by impregnation, calcination and reduction and characterized by elemental analysis, X-ray powder diffraction, H2 temperature-programmed reduction, CO pulse chemisorption and transmission electron microscopy. The Ni/NCNT catalysts were highly active in CO2 methanation at atmospheric pressure, reaching over 50% CO2 conversion and over 95% CH4 selectivity at 340 °C and a GHSV of 50,000 mL g−1 h−1 under kinetically controlled conditions. The small Ni particle sizes below 10 nm despite the high Ni loading is ascribed to the efficient anchoring on the N-doped CNTs. The optimum loading of 30 wt%–40 wt% Ni was found to result in the highest Ni surface area, the highest degree of conversion and the highest selectivity to methane. A constant TOF of 0.3 s−1 was obtained indicating similar catalytic properties of the Ni nanoparticles in the range from 10 wt% to 50 wt% Ni loading. Long-term experiments showed that the Ni/NCNT catalyst with 30 wt% Ni was highly stable for 100 h time on stream.
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