不同形貌金属氧化物催化剂制备及CO变换反应性能研究
以质子交换膜燃料电池应用为背景，研究制备CO变换率高且制氢效率好的变换催化剂为目的，对Cu/CeO2催化剂进行了系统研究，考察了CeO2形貌、不同活性组分及其负载量等对CO变换反应的影响。初步探讨了小分子气体辅助合成ZrO2载体在Cu/ZrO2催化剂中的作用。 首先，成功制备出了八面体、棒状和立方块三种不同形貌的CeO2材料，评价实验发现纯CeO2材料CO变换活性较低（实验条件下CO变换率不超过8％）且无差异。继而负载Cu，以5％Cu/CeO2催化剂为例获得的对比实验表明:负载后CO最高转化率可达91％，当温度超过350℃后，八面体与棒状催化剂上的变换反已接近平衡。其中，八面体形貌的Cu/CeO2催化剂具有最好变换催化性能，棒状次之，立方块最差。表征结果表明八面体CeO2粒径最小;八面体Cu/CeO2催化剂中Cu/Ce间作用力最强，CuO分散最好，小尺寸铜物种含量最多，且具有更多的Cu+物种和表面化学吸附氧。众多因素综合作用下，使得八面体Cu/CeO2催化剂CO变换催化性能最好。 接着，以八面体CeO2为载体，探索活性组分对催化剂性能的影响。发现10％为Cu/CeO2催化剂最佳负载量。表征结果表明:10％负载时，CuO仍为高分散态，负载量继续增加，催化剂上出现晶相CuO。10％Cu/CeO2催化剂Cu/Ce间作用力最强且具有较多表面化学吸附氧和氧空位。In-situ DRIFTS实验进一步揭示了单齿碳酸盐和多齿碳酸盐可能是Cu/CeO2催化剂低温变换反应的关键物种，而催化剂表面甲酸盐可能是高温条件下的关键物种。CeO2上负载Co和Ni元素后尽管CO转化率有所提升，但甲烷化副反应加剧。其中，Ni元素甲烷化效果更为明显，不适宜用作CeO2基变换催化剂添加成分。综合制氢和CO脱除两方面效率，双金属负载的Cu-Co/CeO2催化剂最佳，CO转化率为96％，甲烷选择性为1％。 最后，引入CO和H2小分子气体，导向合成出不同条件下的ZrO2材料，进而制备出Cu/ZrO2-None、Cu/ZrO2-CO和Cu/ZrO2-H2三种催化剂。评价和表征结果表明:小分子气体调控后的催化剂变换性能更优。催化剂电子跃迁能量更低，小尺寸α+β相CuO含量更高，且具有更多Cu+物种和表面化学吸附氧。可知，小分子气体辅助导向合成方法，是一种改善ZrO2基催化剂性能的有效手段。
金属氧化物催化剂;制备工艺;一氧化碳;变换反应;催化性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
李建伟
2017
中文
TQ426.7
93
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）