碳纳米管负载Pt-Fe和Cu-Ce催化剂的富氢气氛下CO催化消除反应研究

发布时间：2017-08-24 20:48

  本文关键词：碳纳米管负载Pt-Fe和Cu-Ce催化剂的富氢气氛下CO催化消除反应研究

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【摘要】：直接以氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池由于其操作温度低(80-120℃)、能量转换率效率高和无环境污染等而受到广泛的关注。质子交换膜燃料电池燃料的主要来源是对碳氢化合物进行处理,主要有重整和水汽变换,获得的氢气中还含有少量的CO。CO会使得燃料电池铂电极中毒从而失活,所以必须设法将一氧化碳的浓度降低到10-100 ppm以下。富氢气氛下的一氧化碳催化优先氧化是去除H2中少量CO最为有效的化学方法之一。常用于CO优先氧化的催化剂体系包括负载型的贵金属催化剂、Au的催化剂和金属氧化物的催化剂体系。在这些催化剂体系中,贵金属的铂基催化剂被认为是用于CO优先氧化反应的最有前景的催化剂之一,但其低温的催化活性会由于CO的吸附而严重失活,为此研究人员作出了很大的努力以提高其催化活性,包括掺杂其他金属、使用不同的载体等。相比于贵金属的催化剂体系,Cu-Ce复合氧化物由于其价格便宜和比较高的选择性也引起了很大的关注。本文运用的是超声辅助的浸渍法,以功能化的多壁碳纳米管为载体制备Pt-Fe和Cu-Ce双金属/氧化物复合催化剂。在通过一系列测试技术表征催化剂后,我们采用CO优先氧化反应装置来测试催化剂的活性及其选择性,同时依据结构的表征数据与催化剂的性能进行关联。对于Pt-Fe(r)/CNTs体系,催化剂的结构性质表明Pt-Fe物种主要以金属相铂、部分以Pt-Fe合金或者固溶体的形式高分散于多壁碳纳米管的表面。同时铂铁物种与碳纳米管之间也存在强烈的相互作用,相较于其他载体,碳纳米管负载的Pt-Fe/CNTs催化剂表现出了更加优越的催化活性。当Pt/Fe=4/0.8时活性最佳,在很高的原料气空速120,000 ml h-1g-1条件下,能够在40-200℃温度范围内实现CO的完全消除并且有较好的CO2选择性。对于CuO-CeO2/CNTs催化剂体系,我们对该催化剂的载体性质影响和制备方式进行了探究,分别运用酸处理后未经焙烧和800℃焙烧的碳纳米管作为载体,并采用不同的浸渍方法制备了系列催化剂,并考察了它们的催化活性。结果表明：采用酸处理后未经焙烧的碳纳米管作为载体并采用共同浸渍法制备的CuO-CeO2/CNTs催化剂具有最佳的CO优先氧化反应活性,可归结为碳纳米管表面基团和共同浸渍法可促进形成更多的活性Cu-Ce氧化物界面。
【关键词】：铂 铁 氧化铜 二氧化铈 碳纳米管 CO优先氧化
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 研究背景10-13
• 1.1.1 氢能及质子交换膜燃料电池10-12
• 1.1.2 除去富氧气体中CO的主要方法12-13
• 1.2 富氢气氛中CO优先氧化13-15
• 1.2.1 富氢气氛中CO的优先氧化的特点13
• 1.2.2 CO-PROX反应机理13-15
• 1.3 CO优先氧化催化剂的研究15-19
• 1.3.1 非贵金属催化剂15-16
• 1.3.2 Au基催化剂16-17
• 1.3.3 Pt基催化剂17-19
• 1.4 催化剂常用的性能评价方法19-20
• 1.5 碳纳米管催化材料20-22
• 1.5.1 碳纳米管大事记20-21
• 1.5.2 碳纳米管的特性21
• 1.5.3 碳纳米管的改性21-22
• 1.5.4 在多相催化中碳纳米管的应用22
• 1.6 本论文的研究思路22-25
• 1.6.1 研究目的22-23
• 1.6.2 各催化体系的研究内容23-25
• 参考文献25-32
• 第二章 化学试剂和实验表征32-36
• 2.1 主要化学试剂32
• 2.2 实验室常用小型仪器32-33
• 2.3 表征方法33-34
• 2.3.1 X射线衍射33
• 2.3.2 透射/高分辨透射电子显微镜33
• 2.3.3 拉曼仪(Raman)33
• 2.3.4 热重分析仪33-34
• 2.3.5 电感祸合等离子体发射光谱34
• 2.3.6 H_2程序升温还原34
• 2.4 催化反应活性测试34-36
• 第三章 多壁碳纳米管负载的Pt-Fe催化剂在富氢气氛中CO优先氧化反应的研究36-56
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验部分37-39
• 3.2.1 催化剂的制备37-38
• 3.2.2 实验表征38
• 3.2.3 催化活性测试38-39
• 3.3 结果与讨论39-50
• 3.3.1 催化剂的结构表征39-44
• 3.3.2 CO-PROX反应的催化性能44-50
• 3.4 小结50-51
• 参考文献51-56
• 第四章 在富氢气氛下碳纳米管负载Cu-Ce氧化物的CO催化消除56-70
• 4.1 引言56-57
• 4.2 实验部分57-58
• 4.2.1 催化剂制备57
• 4.2.2 催化剂结构表征57
• 4.2.3 催化活性测试57-58
• 4.3 结果与讨论58-60
• 4.4 CO-PROX反应性能60-64
• 4.5 本章小结64-65
• 参考文献65-70
• 第五章 总结70-71
• 致谢71-72
• 在读期间发表的学术论文72

【参考文献】

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本文编号：733100