介孔—大孔氧化物—石墨烯催化剂的制备及用于富氢气中CO的优先氧化净化的研究

发布时间：2018-04-09 13:24

本文选题：大孔　切入点：介孔　出处：《天津大学》2016年博士论文

【摘要】：在富H_2条件下,一氧化碳优先氧化(CO-PROX)反应作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)中净化氢气的关键部分,一直受到积极广泛的关注,且该反应器的“小/微型化”也是近年来研究开发的重点。本文以富H_2条件下,CO-PROX反应器“小/微型化”作为研究核心,开展了一系列研究、探索工作,旨在开发高效率、高性能、高稳定性的新型催化剂,且有效缩小反应器体积。首先,以化学、热稳定性良好的聚苯乙烯(PS)为载体大孔硬模板,非离子表面活性剂P123为载体介孔软模板,制备介孔大孔氧化硅整体式载体。该载体拥有相互贯通的大孔孔结构,且孔窗表面由长程有序、规整介孔孔道构成。以介孔大孔氧化硅为载体,向表面担载钌(Ru)贵金属活性组分,以K为助剂,选择合适K、Ru原子比,制备高性能K-Ru/介孔大孔氧化硅催化剂,用于富H_2条件下CO-PROX反应。在体积分数为1%CO、1%O_2、50%H_2和N_2平衡的反应气氛中,质量空速为24,000 ml·gcat~(-1)·h~(-1)的条件下,反应温度区间为100~(-1)40oC时,K-Ru/介孔大孔SiO_2(K:Ru=5:7)催化剂能将CO出口浓度净化低于ppm以下,且拥有较好的抗H_2O和抗CO_2性能。其次,在上述基础上,提出一种简单、有效的预处理催化剂的方法,在明显消除了K助剂在浸渍过程中对Ru纳米颗粒尺寸的影响的条件下,使Ru纳米颗粒能以均一较小的尺寸、高度分散的形态分布于介孔大孔氧化硅载体表面。在相同条件下测试CO-PROX反应的催化活性,发现经过分步焙烧处理的小颗粒Ru基(K助剂)催化剂显示了极高的低温催化活性、拓宽了CO完全转化窗口及有效降低了高温甲烷化现象。再次,向PS模板中填充含有P123的氧化石墨-氧化硅水溶胶,经高温焙烧,还原处理得石墨烯-介孔大孔氧化硅复合物整体型材料。该新型复合材料拥有多孔级孔道结构,如:相互贯通的大孔结构,长程有序的介孔氧化硅结构,石墨烯与氧化硅夹层间的介孔结构,以及氧化硅堆垛成的微孔结构。且石墨烯均匀分布于复合物整体式中,向催化剂表面负载Ru活性组分,制备了一系列Ru/GE-SiO_2复合物催化剂。该催化剂中,Ru纳米颗粒尺寸一致,分散均匀,Ru活性组分能优先吸附于石墨烯表面。在CO-PROX活性测试过程中,显示了极其优秀的低温催化活性,如在50~(-1)00oC之间可完全将CO出口浓度净化低于1ppm,但高温甲烷化较明显,且石墨烯对催化剂稳定性的贡献不明显,有待提高。最后通过溶胶凝胶法和共浸渍的方法,将Pt-Ni双金属活性组分负载于介孔大孔氧化硅-石墨烯复合物载体表面。该催化剂拥有极高的低温催化活性,较宽的CO净化窗口和较好的CO-PROX稳定性。其中,纳米Pt-Ni合金颗粒高度分散于石墨烯表面。且由于石墨烯和Ni物种的给电子能力,使得Pt(0)富集于催化剂表面,进而显示出较高的催化活性。并且该介孔大孔复合物催化剂独特的孔道结构为反应气与Pt-Ni合金的接触提供了足够的空间,这是其高催化活性的另一原因。将该催化剂用于CO-PROX反应,在1 vol.%CO、1 vol.%O_2、50 vol.%H_2、12.5 vol.%CO_2、15 vol.%H_2O和N2平衡的反应气氛中,质量空速为24,000ml·gcat~(-1)·h~(-1)的条件下,在105~(-1)20 oC的温度区间内可以将CO的出口浓度降到1 ppm以下,显示了良好的抗水抗二氧化碳性能,并且该催化剂在高空速下,具有较好的催化剂稳定性。
[Abstract]:A simple and effective catalyst for CO - PROX reaction was prepared by using high efficiency , high performance and high stability . A series of Ru / GE - SiO _ 2 composite catalysts were prepared by sol - gel method and co - impregnation .

【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】