• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂研究进展

2024-05-14

创新点  


在煤炭开采的过程中,低浓度瓦斯的涌出会造成大量温室气体的排放。催化氧化技术可以将瓦斯转化为二氧化碳,可以有效减少其温室效应。基于低浓度瓦斯气治理的工况条件,开发具有高活性和强稳定性的催化材料是推广应用催化氧化技术的关键。本文简要论述了煤矿瓦斯催化氧化的反应机理,总结了近期低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂的研究进展,并探讨了未来高效稳定煤矿瓦斯氧化催化剂的设计思路。


通讯作者简介  


芮泽宝   教授

中山大学芮泽宝教授,博士生导师、广东省海洋生物质化工原料及其功能化转化工程技术研究中心主任、中国环境科学学会挥发性有机污染物防治专业委员会常委、Catalysis Today客座编辑。主要研究方向为光热协同环境与能源催化、热管理防护涂层。先后承担了国家自然科学基金、广东省自然科学基金杰出青年基金、广东省重点研发项目等10余项科研项目;在AIChE JournalACS CatalysisACS Energy LettersJournal of CatalysisApplied Catalysis B等本领域重要期刊上发表论文100余篇,获授权专利22件,实现了两项专利技术的商业化应用,获中国产学研合作创新成果优秀奖。

低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂研究进展


作者

武金玮,张明康,叶城荫,芮泽宝

单位

中山大学 化学工程与技术学院


基金项目

1. 广东省自然科学基金杰出青年基金资助项目(2022B1515020098)

2. 广东省重点领域研发计划资助项目(2020B1111360004)

识别上方二维码获取全文

    摘要    

在煤炭开采的过程中,低浓度瓦斯的涌出会造成大量温室气体的排放。通过催化氧化反应将瓦斯转化为二氧化碳,可以有效减少温室效应。然而,目前所报道催化剂的活性与稳定性大多难以满足实际应用的需求。简要论述了煤矿瓦斯催化氧化的反应机理,总结了近期低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂的研究进展,并探讨了未来高效稳定煤矿瓦斯氧化催化剂的设计思路。甲烷C—H键活化是煤矿瓦斯催化氧化反应的决速步骤。高活性的贵金属催化剂和热稳定性好的非贵金属氧化物催化剂是两类常用的瓦斯氧化催化剂。对于贵金属催化剂,活性金属的类型与分散性对C—H活化性能至关重要,可以通过改性载体与掺杂助剂来调控金属的分散度。对于非贵金属氧化物催化剂,可以通过调变催化剂的结构或掺杂助剂来调控比表面积、氧空位浓度、化学键等性质,从而改善催化剂的活性。此外,煤矿瓦斯氧化催化剂还需要具备优异的耐水和耐硫性能。通过构筑包覆结构或构筑特殊金属结构,可以促进水的解吸;通过掺杂助剂调控活性金属的电子结构与催化剂表面基团,也可以提高催化剂的耐水稳定性。构筑包覆结构可以阻止含硫组分在活性位点的吸附,而添加牺牲剂可以优先吸附含硫组分,是常用的提升催化剂耐硫稳定性的策略之一。 

 研究背景 

随着全球经济的发展,能源的需求量日益增长。化石能源(煤炭、天然气、石油等)因供能稳定、储量大而被广泛使用。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭在我国能源结构中仍占据主导地位。煤炭不仅能作为燃料直接燃烧,也可以作为化工原料获取高附加值化工产品。基于我国“煤多油少”的资源禀赋,利用煤炭合成化工产品可以摆脱对进口石油的依赖,有利于我国的能源安全。然而,在煤炭开采的过程中,瓦斯气不仅有窒息、爆炸的风险,还会造成大量温室气体的排放。煤矿瓦斯主要成分为CH4、CO2、H2S、SO2等。如图1所示,较高浓度的瓦斯通常采取直接燃烧发电的方式进行资源化利用,而低浓度的瓦斯(<1%)则难以直接燃烧利用,其中的微量甲烷气体的排放会造成相当于CO2约23倍的温室效应。根据我国“双碳”战略,在2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”,控制温室气体排放刻不容缓。净化低浓度煤矿瓦斯可以大幅降低采煤过程中温室气体的升温潜势,契合国家“双碳”的战略目标。
作为煤矿瓦斯温室效应的主要贡献者,甲烷的4个C―H键键长相等,因而表现出较高的C―H键活化能(430kJ·mol-1),难以被活化。相比于需要约1100℃高温的直接燃烧,催化燃烧可以显著降低甲烷C―H键的活化能,所需反应温度低于500℃,是可行的低浓度甲烷净化方式。在实际的反应过程中,催化剂的活性与稳定性是煤矿瓦斯氧化催化剂的两个关键技术指标。在活性方面,瓦斯氧化催化剂可以分为具有低温高活性的贵金属催化剂和热稳定性好的非贵金属氧化物催化两类。此外,煤矿中的含硫组分(H2S和SO2)以及瓦斯燃烧产物中的水会毒化催化剂的活性位点,阻碍甲烷的活化。因此,催化剂的耐水与耐硫性能对煤矿瓦斯的稳定氧化至关重要。
迄今为止,科研工作者在提升低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂的活性与耐硫耐水稳定性方面做了大量研究,本课题组之前的工作也提出过低温高活性Pd基、Ir基催化剂设计策略与催化剂抗水性能提升策略。尽管已有大量研究,目前低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂的活性与稳定性仍难以满足实际应用的需求。本文基于催化剂活性与稳定性两方面对低浓度煤矿瓦斯燃烧催化剂的发展现状进行了系统总结,并对低浓度煤矿瓦斯燃烧催化剂的设计策略进行了展望。

 部分图片 

图1  不同浓度煤矿瓦斯的处理方式示意图

图2  不同形貌CeO2载体的Pd/CeO2催化剂Pd 3d XPS光谱(a-c)及相应的结构模型(a'-c')[43]

图3  拉长Co3+―O键的Co3O4催化剂甲烷活化模型及甲烷氧化性能[14]


引文格式


武金玮, 张明康, 叶城荫, 芮泽宝. 低浓度煤矿瓦斯氧化催化剂研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-9[2024-05-13]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240501.
WU Jinwei, ZHANG Mingkang, YE Chengyin, RUl Zebao. Recent progress on catalysts for low-concentration coal mine gas oxidation[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-9[2024-05-13]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240501.

  责任编辑:宫在芹
今日专家

北京土地整治与生态修复研究院科研骨干 12年煤科院特殊开采与矿...

亮点论文

本论文创新点(1)从渗透变形的角度综述了防水闸墙渗漏失稳的类型、机理及判据。(2)初步建立了考虑岩体完整性、围岩与墙体之间的粘结强度、断层破碎带、赋存的地应力和...

今日企业

主办单位:煤炭科学研究总院有限公司 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

©版权所有2015 煤炭科学研究总院有限公司 地址:北京市朝阳区和平里青年沟东路煤炭大厦 邮编:100013
京ICP备05086979号-16  技术支持:云智互联