水煤气变换铜铈催化剂界面位点调变及反应性能研究
水煤气变换反应是石油化工与合成氨的重要过程。由于反应可逆放热且受热力学平衡限制，低温工况下才能获得更高的CO转化率，对水煤气变换催化剂的低温活性提出了更高要求。铜铈催化剂由于其优异的氧化还原性能与独特的电子性质，具有较好的低温水煤气变换性能。催化剂界面位点是电子转移与催化反应发生的主要场所。反相催化剂界面稳定性好、活性高，因此调节反相铜铈催化剂界面位点是提升水煤气变换反应低温活性的关键手段之一。 本论文利用强化反应物微观混合的“非化学”策略及碱金属修饰的“化学”策略共同调节反相CeO2/Cu催化剂的界面位点，揭示金属-载体相互作用和界面电子迁移对水煤气变换活性影响的科学规律，提升水煤气变换反应低温性能，为高效低温水煤气变换催化剂的设计、合成与反相催化剂的表征分析提供理论依据与实践探索。主要研究内容如下: (1)利用超重力反应器强化微观混合高效制备Cu2O纳米立方体，与传统方法相比，Cu2O纳米立方体的尺寸由158.0 nm减小至57.8 nm,大幅提高了 Cu2O纳米立方体的比表面积与缺陷含量。Cu2O纳米立方体还原后暴露出了水解离性能优异的Cu(100)晶面，为CeO2-Cu(100)界面位点的构筑奠定基础。 (2)将CeO2负载于不同工艺制备的Cu(100)表面，利用XAFS等表征手段证明了 Ce3+-O-Cu+界面位点。结果表明，CeO2负载使Cu+含量提升，证实了界面位点处Cu0+Ce4+→ Cu++Ce3+的电子迁移规律。同时,超重力强化微观混合制备的颗粒尺寸更小的Cu(100)更有利于CeO2的锚定和分散，界面电子转移更明显(即金属-载体相互作用更强)，水煤气变换反应低温活性大幅提升，证实了强化反应物微观混合的“非化学”策略调控催化剂界面位点的可行性。 (3)利用碱金属K+与Na+修饰反相CeO2/Cu催化剂，进一步调节界面位点处的电子转移。结果表明，碱金属修饰使Cu+含量提升，其中，K+具有比Na+更优异的电子调节作用，使CeO2/Cu催化剂界面位点处电子迁移能力明显提升。催化反应结果显示，K+修饰的CeO2/Cu催化剂具有高效的低温变换性能，活化能低至21.3kJ·mol-1,可在常温下实现反应物的激活与转化。
铜铈催化剂;界面位点调变;反应性能;水煤气变换
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
陈建峰
2023
中文
TQ426.82
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）