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新能源材料的研究与发展一、前言随着全球环保意识的提高和能源危机的加剧，新能源逐渐成为了未来发展的重要方向。
新能源材料的研究与发展是新能源产业链的重要环节。
本文将从太阳能电池、燃料电池和风能发电等方面探讨新能源材料的研究与发展。
二、太阳能电池太阳能电池是指将太阳能转换为电能的电池。
目前，主要的太阳能电池有硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。
其中，钙钛矿太阳能电池是近年来被广泛研究的一种新型太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池的主要优势是对太阳光的能量利用率极高，可以达到20%以上，远高于市场上常见的普通硅基太阳能电池。
此外，钙钛矿太阳能电池的制造成本低，可以在大规模生产中节约成本。
因此，钙钛矿太阳能电池的研究与发展备受关注。
三、燃料电池燃料电池是一种利用氢气或其他可再生能源产生电能的设备。
它将燃料与氧气反应，产生能量和水蒸气。
燃料电池一般分为碱性燃料电池、聚合物电解质燃料电池和固体氧化物燃料电池等。
其中，聚合物电解质燃料电池是应用最广泛的一种燃料电池。
它具有功率密度高、启动快、寿命长等特点。
由于聚合物电解质燃料电池中的聚合物电解质材料存在着稳定性、传导性等方面的困难，因此其研究与发展仍然面临着挑战。
四、风能发电风能发电是一种利用风能产生电能的设备。
风能发电具有环保、安全、可再生等特点，因此被广泛应用于全球各地。
目前主要有水平轴风力发电机、垂直轴风力发电机和风力透镜等。
其中，风力透镜是一种利用透镜效应将风能集中的新型风力发电装置。
风力透镜的运作过程中，风能通过大面积叶片捕获，经过透镜效应将风能集中，再通过小面积的发电机的转子转换为电能。
风力透镜具有效率高、面积小、噪声低等特点，逐渐成为新型风电设备的研究热点。
五、总结新能源材料的研究与发展是推动新能源产业链发展的重要驱动力。
太阳能电池、燃料电池和风能发电是新能源领域的重要应用方向。
钙钛矿太阳能电池、聚合物电解质燃料电池和风力透镜等新型材料的研究与发展将为新能源行业带来更多的应用前景和商业机遇。
新能源材料与器件导论引言：随着全球能源危机的逐渐加深，寻求可替代传统化石能源的新能源已经成为当今社会的热门话题。
新能源材料与器件作为新能源技术的基础和核心，起着至关重要的作用。
本文将从材料和器件两个方面，对新能源材料与器件导论进行探讨。
一、新能源材料1. 太阳能材料太阳能作为最为广泛利用的新能源之一，其材料的研究与开发是实现太阳能高效转换的关键。
研究人员通过改进硅基材料、有机太阳能电池材料、钙钛矿太阳能电池材料等，实现了太阳能的高效转换和低成本制备。
2. 燃料电池材料燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的器件，其材料的选择对燃料电池的性能和稳定性起着至关重要的作用。
目前，常用的燃料电池材料包括质子交换膜、电催化剂等。
研究人员通过合成新型电催化剂、提高质子交换膜的导电性等手段，不断提升燃料电池的效率和寿命。
3. 锂离子电池材料锂离子电池作为目前应用最广泛的可充电电池，其材料的研究和改进对提高电池的能量密度和循环寿命具有重要意义。
研究人员通过改进锂离子电池的正极材料、负极材料以及电解质等，实现了锂离子电池的快速充放电和长循环寿命。
二、新能源器件1. 太阳能电池太阳能电池是将光能直接转换为电能的器件，其关键是太阳能电池材料的选择和设计。
目前，常用的太阳能电池包括硅基太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。
这些太阳能电池在光电转换效率、稳定性和制备成本等方面都有较大的差异，研究人员致力于提高太阳能电池的效率和降低制造成本。
2. 燃料电池燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的器件，其关键是燃料电池材料的选择和优化。
常见的燃料电池包括质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
研究人员致力于改进燃料电池的材料，提高电池的能量密度、降低成本和延长使用寿命。
3. 锂离子电池锂离子电池是一种利用锂离子在正负极之间的迁移来实现能量转换的器件。
锂离子电池的关键在于正负极材料的选择和设计。
研究人员通过合成新型正负极材料、改进电解质、优化电池结构等手段，提高了锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性。
什么是新能源材料新能源材料是指可以转化为可利用能量的材料，通常是指替代传统石油、天然气等化石能源的可再生能源材料。
随着全球能源危机的日益严重，新能源材料的研究和应用已经成为各国政府和科研机构的重点关注领域。
新能源材料的开发和利用对于解决能源问题、改善环境质量、促进经济可持续发展具有重要意义。
太阳能、风能、生物质能等都是新能源材料的代表。
太阳能是指利用太阳辐射能量进行发电、供热等用途的能源，其主要利用方式包括光伏发电和太阳热能利用。
风能则是指利用风的动能转化为机械能或电能的能源形式，风力发电是其中的典型应用。
生物质能是指利用植物、动物等生物体的有机物质作为能源的能源形式，包括生物质颗粒燃料、生物质液体燃料、生物质气体燃料等。
新能源材料的发展和应用不仅可以减少对化石能源的依赖，降低温室气体排放，改善环境质量，还可以促进相关产业的发展，创造就业机会，推动经济可持续发展。
因此，各国政府和科研机构纷纷加大对新能源材料的研究投入，推动新能源技术的创新和应用。
在新能源材料的研究和应用过程中，材料的选择和性能是至关重要的。
首先，新能源材料需要具有较高的能量转化效率，能够将自然界的能量资源有效地转化为可利用能源。
其次，新能源材料需要具有良好的稳定性和可靠性，能够在不同环境条件下长期稳定运行，保障能源供应的可靠性。
此外，新能源材料的生产成本和环境影响也是需要考虑的重要因素，需要在满足能源需求的前提下尽量降低生产成本，减少环境污染。
除了传统的太阳能、风能、生物质能之外，还有许多新型的能源材料在不断被研究和开发。
比如，光合成材料可以模拟植物进行光合作用，将太阳能转化为化学能；纳米材料可以通过其特殊的结构和性能实现能量的高效转化和存储；燃料电池材料可以将化学能直接转化为电能，具有高效、清洁的特点。
总的来说，新能源材料是解决能源问题、改善环境质量、促进经济可持续发展的重要途径。
随着科技的不断进步和创新，新能源材料的研究和应用将会取得更大的突破，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
新能源材料Chapter 1 绪论一、能源分类能源能够分为一次能源和二次能源。
一次能源是指直接取自自然界没有通过加工转换的各类能量和资源，它包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等等。
由一次能源通过加工转换以后取得的能源产品，称为二次能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。
一次能源能够进一步分为再生能源和非再生能源两大类。
再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等。
它们在自然界能够循环再生。
而非再生能源包括：的煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。
表1 能源的分类二、新能源概念新能源是相关于常规能源而言，以采纳新技术和新材料而取得的，在新技术基础上系统地开发利用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。
与常规能源相较，新能源生产规模较小，利用范围较窄。
常规能源与新能源的划分是相对的。
如核能曾被以为是新能源，此刻已被以为是常规能源；太阳能和风能被利用的历史比核能要早许多世纪，由于还需要通过系统研究和开发才能提高利用效率、扩大利用范围，因此此刻把它们列入新能源。
目前各国对这种能源的称呼有所不同，可是一起的熟悉是，除常规的化石能源和核能之外，其他能源都可称为新能源或可再生能源，要紧为太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能和水能。
三、新能源材料基础能源材料是材料学科的一个重要研究方向，有的学者将能源材料划分为新能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。
综合国内外的一些观点，咱们以为新能源材料是指实现新能源的转化和利用和进展新能源技术中所要用到的关键材料，是进展新能源技术的核心和其应用的基础。
从材料学的本质和能源进展的观点看，能贮存和有效利用现有传统能源的新型材料也能够归属为新能源材料。
新能源材料覆盖了镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、反映堆核能材料、进展生物质能所需的重点材料、新型相谈储能和节能材料等。
新能源材料有哪些新能源材料是指用于新能源产业，特别是可再生能源领域的材料。
下面将介绍一些常见的新能源材料。
1. 太阳能材料：太阳能电池是最常见的太阳能材料，用于将太阳能转化为电能。
常见的太阳能电池材料包括硅、硒化铜和铟化镉等。
2. 风能材料：风能发电是利用风力转动风轮产生机械能，进而转化为电能。
风能材料主要包括用于制造风力发电机的各类金属和合金材料，如钢铁、铝和铜等。
3. 生物质材料：生物质能是指利用植物、动物等有机物质作为原料转化得到的能源。
生物质材料包括生物质颗粒、木质纤维和生物油等，用于生物质燃料的制备。
4. 地热能材料：地热能是指从地下热水或蒸汽中得到能量的一种可再生能源。
地热能材料包括用于制造地热发电设备的耐高温合金、耐腐蚀材料和热交换器材料。
5. 氢能材料：氢能是一种清洁能源，将氢气与氧气反应生成水，从而产生电能。
氢能材料主要包括用于制造燃料电池的催化剂材料、电解质材料和氢气储存材料。
6. 锂离子电池材料：锂离子电池是目前应用广泛的电池类型之一，用于储能装置和电动汽车等领域。
锂离子电池材料主要包括锂离子电池正负极材料、电解质和隔膜等。
7. 燃料电池材料：燃料电池是一种通过氢气和氧气的化学反应来产生电能的装置。
燃料电池材料包括用于制造燃料电池电极和电解质的催化剂材料、负载材料和电解质材料。
8. 钠离子电池材料：钠离子电池是一种相对较新的储能技术，用于储存大规模电力。
钠离子电池材料主要包括钠离子电池正负极材料、电解质和隔膜等。
总之，新能源材料在推动可再生能源发展和降低能源消耗上发挥着重要作用。
随着技术的进步和需求的增加，可以预见新能源材料领域将会有更多的创新和发展。
新能源材料的制备和应用随着人们对环保意识的不断提高，新能源材料的制备和应用也越来越受到关注。
新能源材料的制备是一个比较复杂的过程，需要多个领域的科学家共同合作才能实现。
本文将探讨新能源材料的制备和应用。
一、新能源材料的制备1. 太阳能电池板太阳能电池板是新能源利用的主要方式之一。
太阳能电池板的制备需要用到多个工艺和材料，最基本的是硅晶片制备工艺。
硅晶片的制备需要采用化学反应，需要配备高温高压反应炉和多个化学药品。
2. 燃料电池燃料电池是一种以氢气、甲烷等各种可再生能源作为燃料，通过电化学反应产生电能的设备，它可以实现高效、清洁的能源转化。
燃料电池的制备需要用到多个材料，其中包括阳极催化剂、阴极催化剂、质子交换膜等材料。
这些材料的制备需要用到多个制备方法，例如化学方法、物理方法和生物方法等。
3. 质子交换膜质子交换膜是一种新型膜材料，可以用于各种新能源设备中的电解质。
质子交换膜的制备过程包括膜的制备、化学改性、电化学改性等。
通过这些方法可以制备得到优质的质子交换膜材料。
4. 碳烯膜碳烯膜是一种非常强的材料，可以用于制备各种高级电子器件。
碳烯膜的制备需要采用化学还原法或化学气相沉积法等制备方法。
并且在制备的过程中，对碳烯膜的结构和性质进行研究和调控也是非常重要的。
二、新能源材料的应用1. 太阳能电池板太阳能电池板是新能源利用的主要方式之一。
太阳能电池板的应用领域非常广泛，例如在农村地区、不开发电的山区、高原等地区，太阳能电池板可以作为发电设备供电。
在城市中，太阳能电池板可以用于家庭补给电力。
2. 燃料电池燃料电池是一种可以将燃料转换为电能的设备。
燃料电池的应用有很多，例如可以用于替代化石燃料发电机组，可以用于代替内燃机作为家用燃料机组。
另外，燃料电池还可以用于汽车发动机的替代。
3. 质子交换膜质子交换膜可以用于各种新能源设备中的电解质。
质子交换膜的应用非常广泛，例如可以用于制备燃料电池、纳米反应器、污水处理、氢气存储等领域。
新能源材料的合成与性能研究在当今世界，能源问题已经成为了人类社会发展所面临的重大挑战之一。
传统的化石能源不仅储量有限，而且其开采和使用过程中会对环境造成巨大的污染和破坏。
因此，寻找和开发新型的、清洁的、可再生的能源已经成为了全球范围内的研究热点。
而新能源材料的合成与性能研究则是实现这一目标的关键环节之一。
新能源材料是指那些能够用于转化和存储新能源的材料，如太阳能电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料等。
这些材料的性能直接决定了新能源技术的效率和成本，因此对于新能源材料的合成与性能研究具有极其重要的意义。
一、太阳能电池材料太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其开发和利用具有巨大的潜力。
目前，主流的太阳能电池材料主要包括硅基材料、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）和有机无机杂化钙钛矿材料等。
硅基太阳能电池是目前市场上最成熟的太阳能电池技术，其转换效率较高，但成本也相对较高。
为了降低成本，研究人员一直在努力改进硅基材料的制备工艺，如采用更薄的硅片、开发新的硅基薄膜技术等。
CdTe 和 CIGS 太阳能电池具有较高的转换效率和较低的成本，但由于镉元素的毒性和铟元素的稀缺性，其大规模应用受到了一定的限制。
近年来，有机无机杂化钙钛矿材料因其优异的光电性能而备受关注。
钙钛矿太阳能电池的转换效率在短短几年内从最初的 38%迅速提升到了 25%以上，成为了太阳能电池领域的一颗新星。
然而，钙钛矿材料的稳定性问题仍然是制约其大规模应用的关键因素。
目前，研究人员正在通过优化材料的成分和结构、改进制备工艺、采用封装技术等手段来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。
二、锂离子电池材料锂离子电池作为一种高效的储能设备，已经广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。
锂离子电池的性能主要取决于正极材料、负极材料和电解质等。
正极材料主要包括钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）和三元材料（如 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）等。
什么是新能源材料新能源材料是指在新能源技术领域中使用的具有特殊功能的材料。
随着环境污染和能源短缺问题日益突出，世界各国都在积极开展新能源技术研发和应用。
而新能源材料作为新能源技术的重要组成部分，具有重要的意义和广阔的应用前景。
新能源材料可以分为太阳能材料、储能材料、燃料电池材料、氢能材料等。
太阳能材料是指利用太阳能进行能量转换的材料。
目前常见的太阳能材料主要包括硅基太阳能电池、有机光伏材料和钙钛矿太阳能材料。
硅基太阳能电池是目前最主要的太阳能电池技术，其主要由硅晶圆、背接触箔、前接触层等组成，通过光生电子在材料内部的跃迁产生电能。
有机光伏材料和钙钛矿太阳能材料则是相对较新的太阳能电池技术，具有更高的光电转化效率和更低的制造成本。
储能材料是指能够将能量储存并在需要时释放的材料。
常见的储能材料包括锂离子电池材料、超级电容器材料和燃料电池储氢材料等。
锂离子电池材料是目前最成熟的储能材料之一，其主要由正极材料、负极材料和电解液组成，通过锂离子在正负极材料之间的迁移实现能量的储存和释放。
超级电容器材料则是通过电荷的分离和积累实现能量的储存和释放，具有高能量密度、长循环寿命和快速充放电等优点。
燃料电池储氢材料是指用于将氢气以化学形式储存的材料，具有高密度、安全性好等特点。
燃料电池材料是指用于燃料电池中的关键材料，主要包括质子交换膜、电极材料和催化剂等。
燃料电池是一种通过将氢气和氧气化学反应产生水和电能的装置，而燃料电池材料则是实现这种反应的关键。
质子交换膜是燃料电池中的关键组件，其作为电解质，可以实现质子的传递，从而将燃料电池中的化学能转化为电能。
电极材料是负责氢气和氧气的催化和反应的区域，具有较高的电导性和催化活性。
催化剂是实现氢气和氧气反应的关键材料，通过催化剂的作用，减少了反应的活化能，提高了反应的速率和效率。
氢能材料是指在氢能源领域中使用的材料。
目前主要应用于氢能源领域的氢能材料包括氢储存材料和氢分离材料。
新能源材料的研究发展方向新能源被认为是未来能源发展的方向，而材料作为新能源产业的基础，其研究和开发至关重要。
本文将探讨新能源材料的研究发展方向。
一、锂离子电池随着电动汽车的普及，锂离子电池的需求量不断增加。
在传统的锂离子电池中，采用的是石墨材料作为负极。
然而，随着电动汽车的持续发展和增长，石墨负极的储能密度和寿命已经达到了极限。
因此，绿色、低成本、长寿命的铜离子电池、氧化铁电池以及硫化物电池等新型电池开始逐渐受到关注。
二、太阳能太阳能是一种广泛存在的清洁能源，目前主要利用硅晶体作为光电转换材料。
而随着太阳能需求的不断增长，新型太阳能材料已经成为了热门的研究领域。
其中，有机太阳能电池是一种潜在的绿色、低成本、轻量化技术。
有机太阳能电池采用的是有机半导体材料和导电聚合物材料，以取代传统的硅晶体，成为太阳能电能转换效率的突破口。
三、燃料电池燃料电池是一种能源转换技术，可将化学能转化为电能，并以水和热能作为唯一的副产品。
它被广泛认为是未来的主要能源方向。
现有的氢气燃料电池采用铂作为催化剂，成本昂贵。
因此，新的非铂催化剂成为发展方向，金属有机骨架材料、过渡金属复合物材料、碳基催化剂材料等成为备受关注的材料。
四、超级电容器超级电容器是一种储能元件，具有高能量密度、高功率密度、快速充放电等特点，主要用于电子、交通、军事等领域。
传统的超级电容器采用的是碳材料作为电极，然而其能量密度和寿命存在一定局限。
因此，一些新型电容器材料，如金属氧化物纳米片、石墨烯以及高分子材料，已经成为超级电容器的研究热点。
五、纳米技术纳米技术是一种研究材料的新方法，可以用特殊的方式调整或组装材料分子，以实现材料的新特性。
纳米技术已经在新能源应用中扮演着重要角色，例如通过制备纳米钙钛矿材料实现了更高的太阳能转换效率、纳米涂层作为锂离子电池电极材料可以实现更长的电池寿命、纳米材料作为铜离子电池电极材料可以大幅提升电池性能。
以上是目前新能源材料的研究发展方向的五个方面。
新能源材料技术的研究和应用近年来，随着人们对环境保护的重视程度不断提升，新能源技术的研究和应用越来越受到人们的关注。
其中，新能源材料技术作为新能源技术的重要组成部分，具有广泛的应用前景。
本文将从新能源材料技术的定义、研究现状、应用前景等方面进行探讨。
一、新能源材料技术的定义新能源材料技术是指将新能源材料与科技手段相结合的技术。
新能源材料包括太阳能电池、风力发电机、锂电池、燃料电池等材料。
它们以其高效、低污染等特点被广泛应用于新能源领域。
新能源材料技术的发展，涉及到多个学科领域的交叉和融合，其中物理学、化学、材料学、工程学等学科都发挥着重要作用。
二、新能源材料技术的研究现状近年来，伴随着新能源产业的不断壮大，新能源材料技术也得到了广泛的研究和应用。
目前，新能源材料技术尤其以锂电池、太阳能电池等材料的研究和应用为热点。
1. 锂电池材料的研究与应用锂电池是一种高效的充电电池，广泛应用于移动电子设备、电动车、储能系统等领域。
锂电池的性能主要取决于正负电极材料的性能。
因此，锂电池材料的研究是锂电池技术的关键。
目前，锂电池正极材料主要有锂铁磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料等。
这些材料除了具有高比能量、长循环寿命等优点外，还具有较高的安全性能和稳定性能。
锂电池负极材料主要有石墨、硅等材料，其中硅材料具有高容量、高能量密度等特点。
2. 太阳能电池材料的研究与应用太阳能电池是将太阳能转化为电能的设备，是典型的新能源应用设备。
太阳能电池主要由太阳能电池板、控制器、电池等组成。
其中太阳能电池板是关键部件，它主要由硅基材料制成。
目前，太阳能电池板主要采用单晶硅、多晶硅、硒化铟等材料，其中单晶硅具有高转换效率、长寿命等优点，但价格较高；多晶硅价格低廉，但转换效率较低；硒化铟有较高的光电转换效率，但材料价格昂贵、毒性大等缺点。
三、新能源材料技术的应用前景新能源材料技术的研究和应用将为实现可持续发展、减少环境污染等目标提供技术支持和解决方案。
JOURNAL OF CATAL YSIS161,55–61(1996)ARTICLE NO.0161Interactions between Ni and La2O3in Ni/La2O3Catalysts PreparedUsing Different Ni PrecursorsE.Ruckenstein1and Y.H.Hu2Department of Chemical Engineering,State University of New York at Buffalo,Amherst,New York14260Received September11,1995;revised February14,1996;accepted March1,1996The role of the anion(NO−3or Cl−),used in the preparationvia impregnation of unreduced Ni/La2O3catalysts,in the interac-tions between Ni and La2O3was investigated using XRD,TPR, and ESCA experiments.The following results have been obtained: In the20wt%Ni/La2O3prepared using Ni(NO3)2as precursor, LaNiO3and La(OH)3were the only compounds identified by XRD in the sample calcined in O2,and La2NiO4and La(OH)3were the only compounds identified in the sample calcined in He.At lower Ni contents,the La2O3phase was additionally identified.For the 20wt%Ni/La2O3prepared using Ni chloride as precursor,LaOCl was the only compound detected by XRD;no phase containing Ni was identified by XRD in the samples calcined in O2or He.At lower Ni chloride contents,LaNiO3was additionally detected in the sam-ple calcined in O2and La2NiO4in that calcined in He.A comparison between the XRD spectra and the TPR curves suggested the pres-ence of amorphous NiO in the samples based on Ni chloride.It is also shown that the Ni precursor employed in the preparation of the catalyst plays a role in the CO2reforming of CH4.During the CO2 reforming of methane,the unreduced Ni/La2O3catalysts,based on Ni nitrate,had a high initial CO yield but a low time stability;in contrast,the unreduced Ni/La2O3catalysts,based on chloride,had a high stability.A possible explanation of this behavior,based on ESCA analysis and on the reaction between CH4and catalysts,is provided.c 1996Academic Press,Inc.INTRODUCTIONIn the past few years it was found that the rare earth ox-ides,particularly La2O3,can inprove the superconductive, optical,and catalytic properties of a variety of materials (1–9).The combination of rare earth oxides with transition metals generates the perovskite-type compounds ABO3(B, transition metal)(10–18),which can be used as catalysts. The various capabilities of the ABO3compounds are pri-marily due to the multiple valence states of the transition metals.Nakamura et al.(10)studied the stability of LaBO3per-ovskites(B=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni).They found that,at 1To whom correspondence should be addressed.2Permanent address:Department of Chemistry,Xiamen University, Xiamen361005,P.R.China.1273K,LaNiO3decomposes into various compounds in various ranges of oxygen partial pressures.Crespin et al.(15)found that the low-temperature reduction of LaNiO3 with hydrogen leads to new compounds,such as La2Ni2O5 and LaNiO2,before the complete reduction.Even though numerous studies about the stability of ox-ides containing La and a transition metal have been car-ried out,no investigation regarding the effect of the anion present in the precursor employed in the preparation was yet performed.In the present paper,the effect of NO−3and Cl−on the interaction between Ni and La2O3was stud-ied.We found that NO−3,Cl−,and the gas atmosphere(O2 or He)in which the thermal treatment occurs affect the phases formed from Ni and La2O3.The prepared catalysts have been employed to investigate the CH4decomposition as well as the CO2reforming of CH4,and the results show that the Ni precursor affects the catalytic process.1.EXPERIMENTAL1.1.Catalyst preparation.The Ni/La2O3catalyst was prepared by impregnating La2O3powder(Aldrich,BET surface area of2m2/g)with a nickel nitrate or nickel chlo-ride(Alfa)aqueous solution.The paste generated was dried at110◦C in air in an electric dryer for about4h,and then decomposed at500◦C for4h and calcined also for4h at 800◦C in O2or He(20ml/min)in an alumina reactor(6mm inside diameter)located in a furnace.The composition and treatment conditions are listed in Table1.1.2.Temperature-programmed reduction(TPR).The TPR experiments were performed by heating the samples from room temperature to800◦C,at a rate of17K/min,in a 4%H2/Ar gasflow rate of47ml/min through a quartz tube of2mm inside diameter.The temperature was measured with a thermocouple located in the catalyst bed.The pro-duced gas was continuously detected with a thermal con-ductivity detector.1.3.X-Ray powder diffraction and ESCA analysis. X-ray powder diffraction(XRD)was carried out using Nicolet X-ray diffraction equipment,equipped with a Cu Kαsource,at40kV and20mA.The ESCA analysis 550021-9517/96$18.00Copyright c 1996by Academic Press,Inc.All rights of reproduction in any form reserved.56RUCKENSTEIN AND HUTABLE1Composition and Treatment Conditions of SamplesSample No.Ni content(wt%)Calcination gas Ni precursorNi-A-120O2Ni(NO3)2Ni-A-220HeNi-A-310O2Ni-A-410HeNi-B-120O2NiCl2Ni-B-220HeNi-B-310O2Ni-B-410Hewas carried out with a SSI Model100small spot ESCA in-strument equipped with an Al Kαmonochromatized X-raysource.1.4.CO2reforming of methane.The catalytic reaction was carried out under atmospheric pressure in a vertical quartz tube(2mm inside diameter).The molar ratio of the reactant gases,with a GHSV of60,000cm3g−1h−1,was CO2:CH4(1:1).The catalyst powder(weight,0.020g;bed height,2mm)was held on quartz wool.The system(the catalyst plus theflowing gases)was heated from25to790◦C in35min and maintained at790◦C for the remaining time of the experiment.The analysis of reactants/products mixtures was performed with an in situ gas chromatograph equipped with a Porapak Q column.1.5.Pulse CH4–MS response.A quartz tube(2mm in-side diameter)was used as a reactor.The catalyst pow-der(weight,0.02g;bed height,2mm)was held on quartz wool.The reactant CH4had a pulse volume of45µl.Ultra-high purity helium was used as carrier gas,at atmospheric pressure and600◦C,with aflow rate of60ml/min(GHSV, 180,000cm3g−1h−1).The analysis of gases during the tran-sients was carried out with an on-line mass spectrome-ter(HP Quadrupole,5971series mass selective detector) equipped with a fast response inlet capillary system.The calibration of the mass spectrometer was performed with mixtures of known composition.2.RESULTS2.1.Analysis of the phases.Ni/La2O3was prepared by impregnating La2O3with NiCl2or Ni(NO3)2;this was fol-lowed by decomposition at500◦C and calcination at800◦C in O2or He(see Table1).The XRD patterns showed that the phases generated depend on the precursor employed and calcining conditions.Figures1and2demonstrate that for the20wt%Ni/La2O3catalysts prepared from Ni nitrate (Ni-A-1and Ni-A-2),LaNiO3and La(OH)3are the onlyFIG.1.X-ray powder diffraction spectra:(A-1),20wt%Ni/La2O3 (Ni-A-1),and(A-3),10wt%Ni/La2O3(Ni-A-3),prepared from Ni nitrate and calcined in O2( ,LaNiO3;᭺,La2O3;×,La(OH)3). compounds present in Ni-A-1(calcined in O2),and La2NiO4 and La(OH)3are the only compounds present in Ni-A-2 (calcined in He).When the Ni content was decreased to10 wt%,LaNiO3,La(OH)3,and La2O3were identified in Ni-A-3(calcined in O2),and La2NiO4,La(OH)3,and La2O3 were found in Ni-A-4(calcined in He)(Figs.1and2).For the20wt%Ni/La2O3prepared from NiCl2,LaOCl was the only compound identified both in Ni-B-1and in Ni-B-2 (Figs.3and4).However,when the Ni content was decreased to10wt%,besides LaOCl,LaNiO3was detected in Ni-B-3 (calcined in O2)and La2NiO4in Ni-B-4(calcined in He) FIG.2.X-ray powder diffraction spectra:(A-2),20wt%Ni/La2O3 (Ni-A-2),and(A-4),10wt%Ni/La2O3(Ni-A-4),prepared from Ni nitrate and calcined in He( ,La2NiO4;᭺,La2O3;×,La(OH)3).INTERACTIONS BETWEEN Ni AND La 2O 357FIG.3.X-ray powder diffraction spectra:(B-1),20wt%Ni/La 2O 3(Ni-B-1),and (B-3),10wt%Ni/La 2O 3(Ni-B-3),prepared from Ni chloride and calcined in O 2( ,LaNiO 3;᭺,LaOCl).(Figs.3and 4).The La(OH)3,found in the nitrate-based catalysts,has its origin probably in the hydration of La 2O 3in air,during manipulation of the catalysts.2.2.Temperature-programmed reduction.As shown in Figs.5and 6,for the 20wt%Ni/La 2O 3catalysts prepared from Ni(NO 3)2,there are two groups of overlapping peaks in the TPRs of Ni-A-1and Ni-A-2.When the Ni content was decreased to 10wt%(Ni-A-3and Ni-A-4),the number of TPR peaks did not change;however,the height of theFIG.4.X-ray powder diffraction spectra:(B-2),20wt%Ni/La 2O 3(Ni-B-2),and (B-4),10wt%Ni/La 2O 3(Ni-B-4),prepared from Ni chloride and calcined in He ( ,La 2NiO 4;᭺,LaOCl).FIG. 5.Temperature-programmed reduction:(A-1),20wt%Ni /La 2O 3(Ni-A-1),and (A-3),10wt%Ni/La 2O 3(Ni-A-3),prepared from Ni nitrate and calcined in O 2.lower temperature peak decreased (Figs.5and 6).For the 20wt%Ni/La 2O 3catalyst prepared from NiCl 2,only one peak was observed at 380◦C in the TPR of Ni-B-1(calcined in O 2)and in that of Ni-B-2(calcined in He)(Figs.7and 8).Compared to the 20wt%catalysts,the 10wt%catalysts had very different TPR curves:besides the peak at about 400◦C,two other peaks were observed at 510and 580◦C in Ni-B-3(calcined in O 2),and a single peak was observed at 650◦C for Ni-B-4(calcined in He)(Figs.7and 8).2.3.ESCA analysis.Table 2presents the results of the surface analysis for three samples.It should be noted that the primary Ni peak (Ni 2p 3/2)overlaps with the La 3d 3/2peak.For this reason,the lower binding energy Ni 3p peak was scanned to ascertain if Ni was present;Ni was not detected on the surface of the three samples.2.4.CO 2reforming of methane.The results of the CO 2reforming of methane showed that the 20wt%Ni/La 2O 3catalysts,prepared from Ni nitrate and calcined in either O 2or He,had an initial CO yield of about 62%.However,because of the carbon deposition which followed,the reac-tor was completely plugged in 6h.In contrast,the 20wt%FIG. 6.Temperature-programmed reduction:(A-2),20wt%Ni /La 2O 3(Ni-A-2),and (A-4),10wt%Ni/La 2O 3(Ni-A-4),prepared from Ni nitrate and calcined in He.58RUCKENSTEIN AND HUFIG.7.Temperature-programmed reduction:(B-1),20wt%Ni /La2O3(Ni-B-1),and(B-3),10wt%Ni/La2O3(Ni-B-3),prepared from Ni chloride and calcined in O2.Ni/La2O3,prepared from Ni chloride,had high stability,the CO yield remaining at about50%for26h(Fig.9).2.5.CO2and CO response of CH4pulse.The response experiments of CH4pulses showed that CO2is the main product and that a small amount of CO is generated over all fresh Ni/La2O3catalysts.However,the intensity of the response of CO2was dependent on the Ni precursor and the treatment conditions employed(Figs.10and11).The CO2 intensity of the CH4pulse over Ni/La2O3is much higher for the catalyst prepared from Ni(NO3)2than from NiCl2.3.DISCUSSION3.1.Phase composition.The XRD patterns show that different Ni precursors and treatment atmospheres result in different phases in the Ni/La2O3catalyst.For Ni/La2O3 based on Ni nitrate,LaNiO3was the main phase,when the sample was calcined in O2,and La2NiO4was the main phase,when the sample was calcined in He(Figs.1and 2).Nakamura et al.noted that at the very high tem-perature of1273K,LaNiO3decomposes in a mixture of La2NiO4and NiO for oxygen partial pressures inthe FIG.8.Temperature-programmed reduction:(B-2),20wt%Ni/La2O3 (Ni-B-2),and(B-4),10wt%Ni/La2O3(Ni-B-4),prepared from Ni chloride and calcined in He.TABLE2Surface Composition of Ni/La2O3CatalystsNi-B-2 ElementNi-A-2Before reaction After reaction Cl—38.411.6O83.547.983.6La16.513.7 4.8range10−2>P O2(Torr)>10−9and a mixture of La2NiO4 and Ni0in the range10−9>P O2(Torr)>10−10and that a complete decomposition into La2O3and Ni0occurs for P O2(Torr)<10−10.This indicates that a O2-rich atmosphere favors the formation of the high valence Ni3+and that LaNiO3is unstable in the absence of O2.Different phases are formed when Ni/La2O3is calcined in O2or He be-cause the different calcining gases change the equilibrium between O2and the compounds containing Ni,La,and O. For the20wt%Ni/La2O3prepared from Ni chloride,LaOCl was the only phase detected by XRD after calcination in ei-ther O2or He(Figs.3and4).This indicates that Ni is present mostly in the amorphous state.When the nickel chloride content decreased,besides the LaOCl phase,the La2NiO4 phase was identified when the sample was calcined in He and the LaNiO3phase when the sample was calcined in O2 (Figs.3and4).This indicates that the reaction between Ni and La2O3is affected not only by the partial pressure of O2 but also by Cl−.When the Cl−content is large enough Cl−reacts with La2O3and the reaction between Ni and La2O3 is inhibited,even at an O2pressure of1atm.3.2.TPR curves.Each of the TPR curves of Ni/La2O3 prepared from Ni nitrate and calcined in O2or He exhibits two double-overlapped peaks(Figs.5and6)one at350and 380◦C and the other one at about510and about600◦C. The XRD pattern show that after the Ni/La2O3catalystFIG.9.CO yield vs reaction time for the unreduced20wt%Ni/La2O3 catalyst at790◦C:(a)Ni-B-1,(b)Ni-B-2.INTERACTIONS BETWEEN Ni AND La2O359 FIG.10.MS–response curve of CO2from a CH4pulse over the20wt%Ni/La2O3catalyst at600◦C:(a)Ni-B-1,(b)Ni-A-1.based on Ni nitrate was reduced from room temperatureto450◦C(which is below the high temperature peaks inthe TPR curves),LaNiO3(for the sample calcined in O2) and La2NiO4(for the sample calcined in He)could still be detected(Fig.12).This suggests that the low temperature peaks do not belong to LaNiO3and La2NiO4,but to the reduction of the amorphous Ni oxide.Consequently,it is reasonable to consider that the high temperature peaks are due to the reduction of LaNiO3and La2NiO4,respectively. For Ni-A-2(calcined in He),the peak at about600◦C was the main one,while that at510◦C was very small(Fig.6). Because the XRD pattern(Fig.2)indicates that La2NiO4 constitutes the main phase,the peak at about600◦C should be attributed to the reduction of La2NiO4,while the lower peak at about510◦C might imply that a small amount of LaNiO3is also present,which was,however,too small to be detected by XRD.In contrast,in Ni-A-1(calcined in O2),the peak was higher at510◦C than at about600◦C (Fig.5).The former peak can be attributed to LaNiO3;the smaller peak at600◦C might be due to the partial reduction of La2NiO4which is present in an amount too small to be detected by XRD.For the Ni-A-2catalyst reduced in a TPR experiment up to800◦C,the XRD pattern shown that only FIG.11.MS–response curve of CO2from a CH4pulse over the20wt% Ni/La2O3catalyst at600◦C:(a)Ni-B-2,(b)Ni-A-2.FIG.12.X-ray powder diffraction spectra of the partially reduced 20wt%Ni/La2O3prepared from Ni nitrate.(A-1)Ni-A-1and(A-2) Ni-A-2were reduced with H2from room temperature to450◦C at a rate of17◦C/min( ,La2NiO4;᭺,LaNiO3).La2O3and Ni are present and that the other phases have been removed during the reduction process(Fig.13).The20wt%Ni/La2O3prepared from Ni chloride has one peak at380◦C,which can be attributed to the reduc-tion of the amorphous NiO(Figs.7and8).Compared with pure NiO,which has a peak at340◦C(19),the peak tem-perature is higher,probably because NiO is dispersed into the crystalline LaOCl and this increases the difficulty of its reduction.For the10wt%Ni/La2O3prepared from Ni chloride,be-sides the peak at about400◦C,two overlapped peaks of comparable height were observed at510and580◦C in Ni-B-3(calcined in O2)and one single peak at650◦C in Ni-B-4 (calcined in He)(Figs.7and8).The high temperature over-lapped peaks are similar to those of LaNiO3or La2NiO4 in Ni/La2O3prepared from Ni nitrate;hence they can be attributed to the presence of LaNiO3in Ni-B-3and of La2NiO4in Ni-B-4.This is consistent with the XRD results(Figs.3and4).Some quantitative information regarding the percentage of Ni in the amorphous and crystalline phases can be ex-tracted from the TPR spectra and is presented in Table3. Table3shows that the amount of amorphous Ni oxide is greater for the chloride based catalysts than for the corre-sponding nitrate based catalysts.3.3.Activity and stability of catalysts for CO2reforming of CH4.The CO yield remained almost unchanged over Ni-B-1and Ni-B-2,prepared from NiCl2,during the CO2 reforming of CH4,for26h(Fig.9).In contrast,carbon de-position,which plugged the reactor was observed to occur over Ni-A-1and Ni-A-2.The CO2response MS curves of60RUCKENSTEIN ANDHUFIG.13.X-ray powder diffraction spectra of the reduced20wt%Ni/La2O3(Ni-A-2)prepared from Ni nitrate(The catalysts was reduced with H2 from room temperature to800◦C at a rate of17◦C/min.)( ,La2O3;᭺,Ni).CH4pulses(Figs.10and11)show that Ni-A-1and Ni-A-2 were more easily reduced than Ni-B-1and Ni-B-2.There-fore,a larger amount of Ni metal was generated by CH4 during the CO2/CH4flow over Ni-A-1and Ni-A-2than over Ni-B-1and Ni-B-2.Because the Ni metal is the active site (19,20),Ni-A-1and Ni-A-2have a higher initial CO yield than Ni-B-1and Ni-B-2in the CH4/CO2reaction.However, a greater number of Ni metal sites results in a higher car-bon deposition which leads to the plugging of the reactor. It is of interest to note(Fig.14)that in the Ni-B-1cata-lyst used in the CO2reforming of CH4at790◦C for30h, LaOCl,which was the only phase detected by XRD before reaction,was still present;(the monoclinic La2O3could be also detected after reaction).Is the presence of LaOCl in the NiCl2based catalysts responsible for their higher sta-TABLE3Content of Amorphous NiO in Ni/La2O3Catalysts Catalyst Amorphous Ni oxide(mol%) Ni-A-134Ni-A-237Ni-A-38Ni-A-410Ni-B-1100Ni-B-2100Ni-B-327Ni-B-456bility?The ESCA experiments provide some information in this direction.The ESCA analysis could not detect Ni on the surface of both nitrate and chloride based catalysts. This means that its surface concentration is very small and that the surface is enricherd in La in both cases.However, as already noted,the response to CH4pulses indicates a larger number of Ni sites on the nitrate based catalysts.In FIG.14.X-ray powder diffraction spectra of the unreduced20wt% Ni/La2O3prepared from Ni chloride and used in CO2reforming of CH4 at790◦C for4h( ,La2O3;᭺,LaOCl).INTERACTIONS BETWEEN Ni AND La2O361addition,Table2shows that the atomic ratio between Cl and La on the surface of the chloride based catalyst is al-most the same before and after reaction.This suggests that a relatively stable compound containing Cl and La is present on the surface.The atomic ratio Cl/La for this compound is, however,larger than1,the ratio in the compound LaOCl identified by XRD in the bulk both before and after reac-tion.Since the ESCA analysis provides a ratio near to3,we are tempted to consider LaCl3as that compound,or another one,containing some oxygen in which the ratio Cl/La equals 3.That compound being surface active accumulates at the surface,but is present in the bulk in an amount too small to be detected by XRD.The number of Ni sites in the chlo-ride based catalysts is smaller than in those based on nitrate because of the high surface activity of that compound.This impedes the formation of sufficiently large ensembles of Ni atoms which are necessary for coke deposition(21,22).4.CONCLUSIONThe phase composition of the Ni/La2O3catalyst depends on the nature of the Ni precursor used in the prepara-tion and on the treatment conditions employed.This has catalytic implications,since in the CO2reforming of CH4, the20wt%unreduced Ni/La2O3catalyst prepared using Ni(NO3)2as precursor has a low time stability,while the cor-responding catalyst based on NiCl2has a high one.ESCA analysis and the reaction of the catalysts with CH4suggested a possible explanation for this behavior.REFERENCES1.Singh,P.,and Kishore,R.,Superconductivity,8(1),9(1995).2.Sasai,H.,Arai,T.,Satow,Y.,Houk,K.N.,and Shibasaki,M.,J.Am.Chem.Soc.117(23),6194(1995).3.Hu,Y.H.,and Ruckenstein,E.,J.Catal.158,260(1996).4.Ruckenstein,E.,and Hu,Y.H.,Catal.Lett.35,265(1995).5.Hu,Y.H.,and Ruckenstein,E.,Catal.Lett.34,41(1995).6.Deeba,M.,Farrauto,R.J.,and Lui,Y.K.,Appl.Catal.124(2),339(1995).7.Castro,F.,and Nabet,B.,Appl.Opt.34(13),2317(1995).8.Tsubouchi,A.,and Bruice,T.C.,J.Am.Chem.Soc.117(28),7399(1995).9.Horita,T.,Choi,J.M.,Lee,Y.K.,Sakai,N.,Kawada,T.,Yokokawa,H.,and Dokiya,M.,J.Am.Ceram.Soc.78(7),1729(1995).10.Nakamura,T.,Petzow,G.,and Gauckler,L.J.,Mater.Res.Bull.14,649(1979).11.Meadowcroft,D.B.,Meier,P.G.,and Warren,A.C.,Energy Convers.12,145(1972).12.Spacil,H.S.,and Tedmon,C.S.,J.Electrochem.Soc.116,1618(1969).13.Libby,W.F.,Science171,499(1971).14.Gallagher,P.K.,Johnson,D.W.,and Vogel,E.M.,J.Am.Ceram.Soc.60,28(1977).15.Crespin,M.,Gatineau,L.,and Levitz,P.,J.Chem.Soc.Faraday Trans.2(79),1181(1983).16.Levitz,P.,Crespin,M.,and Gatineau,L.,J.Chem.Soc.Faraday Trans.2(79),1195(1993).17.Watson,P.R.,and Somorjai,G.A.,J.Catal.74,282(1982).18.Tascon,J.M.D.,Olivan,A.M.O.,Tejuca,L.G.,and Bell,A.T.,J.Phys.Chem.90(5),791(1986).19.Hu,Y.H.,and Ruckenstein,E.,Catal.Lett.36,145(1996).20.Ruckenstein,E.,and Hu,Y.H.,Appl.Catal.133,49(1995).21.Rostrup-Nielsen,J.R.,J.Catal.85,31(1984).22.Rostrup-Nielsen,J.R.,J.Catal.48,155(1977).。
