氮化钼负铂催化剂的制备及其在水汽变换反应中的性能研究

发布时间：2020-09-08 20:53

　　水汽变换反应(WGS,CO + H_2O = CO_2 + H_2,△H_298K=-41.4kJ/mol)能够有效的使等量的CO与H_2O反应,转变成CO_2和H_2,因此WGS反应在制氢工业中有着广泛的应用。随着能源和环境问题愈发突出,质子交换膜燃料电池广受各国关注,低温WGS反应又有了新的应用前景——其可以出去重整法制得的燃料H_2中的微量CO,防止燃料电池中的Pt电极中毒。从热力学角度分析,WGS反应是一个放热反应,热力学平衡在高温会限制反应正向进行,不利于提高CO的转化率,消除CO;但低温时动力学会制约反应活性,导致反应速率较低。结合该反应高低温的状况,提高催化剂低温WGS活性是解决问题的关键。本论文采用程序升温反应法制备了层状氮化钼(γ-Mo2N),并选用合适的负载方法制备了一系列贵金属Pt基氮化钼催化剂,主要研究内容和实验结果如下:一、氮化钼材料的制备和性能研究利用水热法(hydrothermal method)成功合成了不同的氧化钼前驱体(MoO_2和MoO3),并使用程序升温氮化法制备并筛选出具有单一物相的γ-Mo2N纳米催化剂。采用多种表征手段对Mo2N样品进行了结构表征,结果表明相比于MoO_2,MoO3前驱体更易得到单一物相的γ-Mo2N,且制备的γ-Mo2N样品具有更稳定的二维层状结构和更高的比表面积。二、γ-Mo2N负Pt催化剂的制备与WGS反应性能研究我们采用了传统过量浸渍法(IMP)、沉积沉淀法(DP)和乙二醇还原法(EG)制备了不同载量的负载型铂基催化剂(Pt-Mo2N)。通过对催化剂的WGS性能优化和评价,发现传统IMP和DP法制备的样品活性较差,而EG法制备的催化剂经优化后具有非常优异的WGS反应活性和稳定性。使用多种表征手段对催化剂进行表征和研究后发现,催化剂具有特殊的Pt-MoOx-Mo2N表面微观结构;其催化水汽变换反应的活性位点为金属态Pt团簇。三、Pt-Mo2N催化剂的WGS反应机理研究对上述最佳催化剂进行质谱表征和动力学测试,获得了其CO-TPR、CO-TPD、TPSR、水解离和反应级数等相关数据。通过实验证明,Pt-Mo2N催化剂在WGS反应中遵循羟基机理,同时H_20的吸附解离是整个反应的速控步骤。结合理论计算更好地阐明催化剂参与反应的过程:Mo2N衬底上的MoOx层能有效活化H_2O分子,同时Pt团簇能够高效的吸附CO,从而使催化剂具有更好的WGS反应催化活性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TQ116.2
【部分图文】：

变换反应,平衡常数,水汽变换,合成氨

一合成气生产和水汽变换反应器用于产氢及合成氨反应[3]

羧酸盐,中间产物,甲酸,碳酸盐

Ｈ２０＊—ＯＨ＊＋Ｈ＊邋（卜２１）逡逑２Ｈ＊—邋Ｈ２邋＋邋２＊邋（１－２２）逡逑当前文献报道的中间产物的结构如图１－３所示：逡逑（ｏ＾＾ｏ）逡逑…－邋ｉ逡逑图１－３文献提出的中间产物的结构：甲酸ＨＣＯＯ＊＊、碳酸盐Ｃ０３＊＊和羧酸盐逡逑ＣＯＯＨ邋l:［５５］逡逑１．１．５燃料电池逡逑燃料电池是生产清洁能源可行替代方案％５８］。目前其主要的商业市场是住宅逡逑应用和公共或私人交通。燃料电池技术的各种应用范围从便携／微型能源和车载逡逑能源到室内和分布式发电的固定电源，将在全球范围内广泛应用［５９＿６１］。在过去的逡逑几年里，燃料电池和汽车公司己经相继发布了采用燃料电池的新技术或原型车，逡逑以减少大气污染。各种用于不同应用的燃料电池正在开发中［６２，６＼固体聚合物燃逡逑８逡逑

质子膜燃料电池,燃料电池,直接甲醇燃料电池,示意图

【参考文献】