Rational Design of Y-Promoted Co/Al 2 O 3 Catalysts with Bimodal Porosity for Dry Reforming of Methane: Enhanced Reducibility, Surface Basicity, and Coke Resistance

二氧化碳重整 催化作用 材料科学 化学工程 介孔材料 合理设计 焦炭 微晶 多孔性 甲烷 碳纤维 煅烧 人口 吸附 X射线光电子能谱 比表面积 催化剂载体 氧化钴 纳米颗粒 多相催化 纳米技术 沉积(地质) 金属 蒸汽重整 二氧化碳 纳米材料基催化剂 碳化 烧结 微晶 非阻塞I/O
作者
Jiuhong Wei,Ye Liu,Shihua Zheng,Yajing Cai,Guojie Zhang
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:40 (13): 7097-7108
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.6c00123
摘要

Dry reforming of methane (DRM) provides an attractive pathway for the simultaneous utilization of CH4 and CO2 to produce syngas; however, Co-based catalysts typically suffer from metal sintering, formation of hardly reducible cobalt aluminate (CoAl2O4), and severe carbon deposition under high-temperature conditions. Herein, Y-promoted Co catalysts supported on alumina with tailored pore architectures were developed, with particular emphasis on a hierarchical bimodal porous Al2O3 support (Al2O3-BA) integrating ordered mesopores and interconnected macroporous channels. Compared with mesoporous Al2O3-SA and commercial γ-Al2O3-supported counterparts, the 10Co-5Y/A2O3-BA catalyst exhibited smaller Co3O4 crystallites and more uniform nanoparticle dispersion, indicating mitigated agglomeration. H2-TPR analysis revealed enhanced reducibility with a shift of the main reduction peak to lower temperature and a markedly suppressed high-temperature CoAl2O4 feature, suggesting weakened metal–support interaction. CO2-TPD demonstrated an increased population of medium-strength basic sites, favoring CO2 adsorption and activation. XPS indicated a higher Co2+/Co3+ ratio and an increased proportion of surface-adsorbed oxygen species, implying modified surface electronic properties. These structural and surface characteristics translated into superior catalytic performance. The bimodal catalyst delivered the highest CH4 and CO2 conversions over 650–800 °C and maintained stable activity during a 24 h test at 750 °C, achieving 86.5% CH4 conversion, 91.5% CO2 conversion, and an H2/CO ratio of 0.92. Postreaction analyses revealed significantly reduced carbon deposition compared with mesoporous counterparts. Overall, the synergy between Y promotion and hierarchical bimodal porosity effectively modulates metal–support interaction, enhances reducibility and CO2 activation, and suppresses coking, providing a rational strategy for designing durable Co-based catalysts for DRM.
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