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近年来，我国经济迅猛发展，GDP迅速增长，与此同时，能源消耗也随之增加。我国的能源格局为富煤少油缺气，然而相对落后的煤炭开采、处理及加工技术，造成资源浪费，并严重污染环境。煤制天然气(SNG)工艺转化效率较高，是煤炭洁净利用的重要途径，是现代洁净能源发展的一个重要方向。该工艺的关键步骤为CO甲烷化，而甲烷化技术核心为甲烷化催化剂。目前国内工业甲烷化催化剂尚不成熟，近年来高效甲烷化催化剂的研究备受关注。
本文就负载型Ni基甲烷化催化剂进行了设计、制备和性能研究。首先对几种常规传统载体做了比较研究，分别以Al2O3、TiO2、SiO2为载体采用等体积浸渍法制备了20Ni/Al2O3、20Ni/TiO2、20Ni/SiO2三种不同载体的甲烷化催化剂。通过活性评价发现Al2O3载体具有较大活性区间，且热稳定性好，其CH4选择性好，收率最高;TiO2载体的CO转化率最高，可达99.9％，且低温活性表现良好;SiO2载体的性能较差，CO转化率和CH4收率均不及其他两载体。采用等体积浸渍法分别以Al2O3、TiO2为载体负载不同镍量制备一系列xNi/Al2O3和xNi/TiO2催化剂，考查Ni负载量对催化剂甲烷化性能的影响。通过活性评价发现两载体均为Ni负载量在20％wt下催化剂活性较好。结合BET、SEM、XRD、热重分析等表征，发现活性组分Ni负载太少，则活性中心不足，Ni负载过量时NiO颗粒易团聚而堵塞催化剂的孔道，且在使用过程中易积碳结焦。
以20Ni/TiO2为研究基准，分别添加碱土金属(Ca、Mg)、过渡金属(Mn)、稀土金属(La、Ce)，考察助剂类型及其添加量对催化剂20Ni/TiO2甲烷化性能的影响。通过等体积多次浸渍法制备一系列助催化剂改性催化剂20Ni/xM-TiO2。通过活性评价和SEM、XRD、热重分析等表征，发现适量添加这五种助催化剂都可不同程度地提高20Ni/TiO2的活性，并延长其使用寿命。其中Mn、Ca助催化剂降低了催化剂的最佳活性温度，扩大了活性温度区间。考察助催化剂添加量对催化剂甲烷化性能的影响时发现，每种助剂最佳添加量存在差异，各种助剂最佳添加量分别为Ca助剂是10％、Mg助剂是2％、Mn助剂是8％、La助剂是8％、Ce助剂是6％。进一步针对确定的催化剂进行还原温度和方式筛选。各催化剂分别设定在400℃、500℃、600℃下等温还原和程序升温还原后，并在最适宜反应温度下对比甲烷化催化性能。结果发现，催化剂20Ni/10Ca-TiO2适于在500℃下等温还原;催化剂20Ni/2Mg-TiO2适于在400℃下等温还原;催化剂20Ni/8Mn-TiO2适于在400℃下程序升温还原;催化剂20Ni/8La-TiO2适于在600℃下程序升温还原;催化剂20Ni/6Ce-TiO2适于在500℃下程序升温还原。通过对催化剂进行TG-DTA分析发现，助剂Ca、La使积碳物质增多，助剂Mg、Mn能抑制积碳物质生成，而助剂Ce对积碳影响不明显。
二氧化锆优良的物理化学性质在催化剂载体方面有开发潜质。通过沉淀法设计制备了高比表面积多孔ZrO2载体材料，利用正交实验确定了制备工艺条件。通过SEM、XRD、BET等手段表征，结果表明样品粒度细小、表面疏松、结晶度完整、比表面积达214m2/g，符合载体材料的基本要求。利用电导率法测定了沉淀过程的结晶动力学数据，结果表明，该沉淀过程成核速率远大于晶体生长速率，成核几乎可在混合瞬间完成的，可以认为实验过程中氢氧化锆的晶核生成只有一次成核，无二次成核造成的晶粒长大，生成的产品颗粒小，比表面积大。采用等体积浸渍法制备了不同系列Ni负载量的xNi/ZrO2催化剂，经活性评价发现，随着Ni负载量的增加，CH4的选择性变化无明显规律，而CO转化率和CH4收率呈现增加趋势，Ni负载量为40％的40Ni/ZrO2催化剂综合活性最好。以40Ni/ZrO2催化剂配比为基础，分别加入Ce、Ca、Mn三种助剂研究了助剂及其添加量对催化剂活性的影响。结果发现，加入助剂Ce的催化剂活性有所增加，CO转化率、CH4收率均有所改善，但添加量的影响不明显。比较而言，Ce添加量为2％的40Ni/2Ce-ZrO2略优于其他配比。加入助剂Ca的催化剂活性明显增加，尤其是其低温活性，与无添加助剂的催化剂相比CO转化率、CH4收率、CH4选择性都明显增大，但其高温活性相对较差，Ca添加量为4％的40Ni/4Ca-ZrO2优于其他比例。加入助剂Mn的催化剂的高温活性显著增加，与无添加助剂的催化剂相比高温时CO转化率、CH4收率、CH4选择性都明显增大，添加量为6％的40Ni/6Mn-ZrO2优于其他配比。对比三种助催化剂，Ca可提高40Ni/ZrO2催化剂的低温活性，Mn可提高40Ni/ZrO2催化剂的高温活性，Ce的作用没有前两者明显。
最后，通过共沉淀法制备了Al2O3-ZrO2、CeO2-ZrO2、CaO-ZrO2三种复合载体，初步探究了不同配比下的Al2O3-ZrO2、CeO2-ZrO2、CaO-ZrO2三种复合载体甲烷化催化性能。活性评价结果表明，相对于单一ZrO2载体而言，Al2O3-ZrO2、CeO2-ZrO2两种复合载体的镍基甲烷化催化剂活性有所增加，而CaO-ZrO2没有表现出太多优越性。比较而言，在多种不同配比中，9CeO2-ZrO2复合载体性能最好。
本文就负载型Ni基甲烷化催化剂进行了设计、制备和性能研究。首先对几种常规传统载体做了比较研究，分别以Al2O3、TiO2、SiO2为载体采用等体积浸渍法制备了20Ni/Al2O3、20Ni/TiO2、20Ni/SiO2三种不同载体的甲烷化催化剂。通过活性评价发现Al2O3载体具有较大活性区间，且热稳定性好，其CH4选择性好，收率最高;TiO2载体的CO转化率最高，可达99.9％，且低温活性表现良好;SiO2载体的性能较差，CO转化率和CH4收率均不及其他两载体。采用等体积浸渍法分别以Al2O3、TiO2为载体负载不同镍量制备一系列xNi/Al2O3和xNi/TiO2催化剂，考查Ni负载量对催化剂甲烷化性能的影响。通过活性评价发现两载体均为Ni负载量在20％wt下催化剂活性较好。结合BET、SEM、XRD、热重分析等表征，发现活性组分Ni负载太少，则活性中心不足，Ni负载过量时NiO颗粒易团聚而堵塞催化剂的孔道，且在使用过程中易积碳结焦。
以20Ni/TiO2为研究基准，分别添加碱土金属(Ca、Mg)、过渡金属(Mn)、稀土金属(La、Ce)，考察助剂类型及其添加量对催化剂20Ni/TiO2甲烷化性能的影响。通过等体积多次浸渍法制备一系列助催化剂改性催化剂20Ni/xM-TiO2。通过活性评价和SEM、XRD、热重分析等表征，发现适量添加这五种助催化剂都可不同程度地提高20Ni/TiO2的活性，并延长其使用寿命。其中Mn、Ca助催化剂降低了催化剂的最佳活性温度，扩大了活性温度区间。考察助催化剂添加量对催化剂甲烷化性能的影响时发现，每种助剂最佳添加量存在差异，各种助剂最佳添加量分别为Ca助剂是10％、Mg助剂是2％、Mn助剂是8％、La助剂是8％、Ce助剂是6％。进一步针对确定的催化剂进行还原温度和方式筛选。各催化剂分别设定在400℃、500℃、600℃下等温还原和程序升温还原后，并在最适宜反应温度下对比甲烷化催化性能。结果发现，催化剂20Ni/10Ca-TiO2适于在500℃下等温还原;催化剂20Ni/2Mg-TiO2适于在400℃下等温还原;催化剂20Ni/8Mn-TiO2适于在400℃下程序升温还原;催化剂20Ni/8La-TiO2适于在600℃下程序升温还原;催化剂20Ni/6Ce-TiO2适于在500℃下程序升温还原。通过对催化剂进行TG-DTA分析发现，助剂Ca、La使积碳物质增多，助剂Mg、Mn能抑制积碳物质生成，而助剂Ce对积碳影响不明显。
二氧化锆优良的物理化学性质在催化剂载体方面有开发潜质。通过沉淀法设计制备了高比表面积多孔ZrO2载体材料，利用正交实验确定了制备工艺条件。通过SEM、XRD、BET等手段表征，结果表明样品粒度细小、表面疏松、结晶度完整、比表面积达214m2/g，符合载体材料的基本要求。利用电导率法测定了沉淀过程的结晶动力学数据，结果表明，该沉淀过程成核速率远大于晶体生长速率，成核几乎可在混合瞬间完成的，可以认为实验过程中氢氧化锆的晶核生成只有一次成核，无二次成核造成的晶粒长大，生成的产品颗粒小，比表面积大。采用等体积浸渍法制备了不同系列Ni负载量的xNi/ZrO2催化剂，经活性评价发现，随着Ni负载量的增加，CH4的选择性变化无明显规律，而CO转化率和CH4收率呈现增加趋势，Ni负载量为40％的40Ni/ZrO2催化剂综合活性最好。以40Ni/ZrO2催化剂配比为基础，分别加入Ce、Ca、Mn三种助剂研究了助剂及其添加量对催化剂活性的影响。结果发现，加入助剂Ce的催化剂活性有所增加，CO转化率、CH4收率均有所改善，但添加量的影响不明显。比较而言，Ce添加量为2％的40Ni/2Ce-ZrO2略优于其他配比。加入助剂Ca的催化剂活性明显增加，尤其是其低温活性，与无添加助剂的催化剂相比CO转化率、CH4收率、CH4选择性都明显增大，但其高温活性相对较差，Ca添加量为4％的40Ni/4Ca-ZrO2优于其他比例。加入助剂Mn的催化剂的高温活性显著增加，与无添加助剂的催化剂相比高温时CO转化率、CH4收率、CH4选择性都明显增大，添加量为6％的40Ni/6Mn-ZrO2优于其他配比。对比三种助催化剂，Ca可提高40Ni/ZrO2催化剂的低温活性，Mn可提高40Ni/ZrO2催化剂的高温活性，Ce的作用没有前两者明显。
最后，通过共沉淀法制备了Al2O3-ZrO2、CeO2-ZrO2、CaO-ZrO2三种复合载体，初步探究了不同配比下的Al2O3-ZrO2、CeO2-ZrO2、CaO-ZrO2三种复合载体甲烷化催化性能。活性评价结果表明，相对于单一ZrO2载体而言，Al2O3-ZrO2、CeO2-ZrO2两种复合载体的镍基甲烷化催化剂活性有所增加，而CaO-ZrO2没有表现出太多优越性。比较而言，在多种不同配比中，9CeO2-ZrO2复合载体性能最好。