Science：高中化学助力甲烷重整，提高CO收率！

甲烷干重整是可将CO₂转化为合成气，是将大量CO₂转化为有用化学品和燃料的重要手段之一，并已经在工业上大规模使用。

问题在于：在甲烷干重整过程中会产生H₂O，同时就会发生水煤气变换反应，重新生成CO₂，导致CO产率较低。

       有鉴于此，Buelens等人发明了一种甲烷超干重整技术，利用高中化学知识勒夏特列原理，使CO时空收率提高到7.5 mmol (CO). S-1.kg(Fe)-1（1023 K）。

 

 

图1. 甲烷超干重整原理

研究人员以Ni/MgAl₂O₄作为CH₄重整催化剂，Fe₂O₃/MgAl₂O₄作为氧载体，CaO/Al₂O₃作为CO₂吸收剂。三种反应过程的等温偶联极大抑制了CO和H₂O的副反应。

首先，按照3:1的摩尔比通入CO₂和CH₄气体。甲烷经过Ni催化剂，转化成合成气（CO+H₂），同时CO₂被CaO吸收形成CaCO₃。根据勒夏特列原理（Le Chatelier’s Principle）产生平衡移动效应，Fe₂O₃的还原得到增强，CO被氧化成CO₂，继续被CaO吸收，Fe₂O₃被氧化成Fe。这样，CO就全部被转化为CO₂储存于CaO中， 而不会与H₂O发生反应。

然后，切换气体，用惰性气体进行吹扫，甲烷氧化过程中产生的H₂O被吹走。根据勒夏特列原理产生平衡移动，CO₂重新被Fe还原，生成CO，和H₂O的水煤气变换副反应大大减少。

 

图2. 反应过程研究

 

图3. 材料表征

在整个构成中，CaO主要起到3个作用：

1）利用勒夏特列原理，增强Fe3O4对CO的氧化。

2）原位去除CO2，就可以使用比天然气更便宜的沼气作为原料。

3）在CO2被Fe还原过程中，CaCO3等温分解产生CO2，并原位转化为CO。

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Lukas C. Buelens, Vladimir V. Galvita, Guy B. Marin et al. Super-dry reforming of methane intensifies CO₂ utilization via Le Chatelier’s principle. Science 2016.