CN103007979A - 一种用于co选择性氧化反应的负载型铜铈催化剂及其制法 - Google Patents

Abstract

一种用于CO选择性氧化反应的负载型铜铈催化剂的制备方法，它是以SBA-15作为载体，将一定量的硝酸铜和硝酸亚铈与载体放入研钵中，研磨一定时间后，空气气氛下450℃焙烧4h，自然降温，得到SBA-15负载的铜铈催化剂。将催化剂用于CO选择性氧化反应中，表现出较常规浸渍法制备催化剂更好的活性。本发明的优点是：制备过程不涉及溶剂，操作简便快捷，且同时可以保证铜物种和CeO₂在SBA-15上良好分散。更重要的是，由于不存在溶剂，铜盐前驱体和铈盐前驱体可以在制备过程中更加直接地接触，这样最终得到氧化铜与二铈化铈密切接触的催化剂。整个制备具有能耗低、设备简单等特点。

Description

一种用于CO选择性氧化反应的负载型铜铈催化剂及其制法

技术领域：

本发明涉及一种用于CO选择性氧化反应的负载型铜铈催化剂及其制法。 

背景技术：

伴随着我国经济的高速发展，对能源的需求愈加旺盛。由于传统燃料如煤、石油和天然气等储量有限，且这些化石燃料的使用会带来诸多环境问题。因此，愈来愈多的目光投入到开发清洁、高效的新能源上来。燃料电池作为一种在等温条件下将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，是一种绿色能源技术，可以同时解决节能和环境保护两大难题，被认为最具前景的动力设备。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其操作温度低、能量密度高、工作寿命长、应答速度快等优点受到人们的青睐。这些特点使其有望替代石油成为汽车等交通工具的主要动力源。氢源作为质子交换膜燃料电池的燃料，其主要通过烃类及醇类的重整制得。但是，重整气中存在的少量CO极易造成Pt电极中毒，因此必须将H₂源中的CO含量降到100ppm以下。CO选择性催化氧化（CO-PROX）是脱除富氢气氛中少量CO的一种简单有效方法。 

目前用于CO-PROX反应的催化剂主要有贵金属（Pt、Au等）催化剂和非贵金属（Cu、Co等）催化剂。贵金属催化剂具有低温活性好的优点，但其价格昂贵，资源匾乏，大规模应用受到限制。因此，越来越多的研究转移到非贵金属催化剂上。铜铈催化剂以其低廉的成本，良好的活性和选择性，优异的抵抗H₂O和CO₂的能力吸引了研究者的极大兴趣。 

近年来关于铜铈催化剂的研究取得了非常迅速的发展，研究者通过各种方法（包括浸渍法、共沉淀法、柠檬酸法、溶胶-凝胶法等）制备出具有高CO-PROX活性的铜铈催化剂。如Zhou等报道了一种络合方法来制备铜铈复合氧化物催化剂，其在120℃下可实现99.6%的CO转化率和88.6%的CO₂选择性。Teoh等报道的火焰燃烧法制备铜铈催化剂在110-250℃范围内可实现CO的完全转化。与此同时，有研究表明将铜铈负载到特定载体上时，可同样表现出优良的CO-PROX活性。Chilukuri等人使用了铝支撑高岭石来负载铜铈催化剂，发现制备的催化剂具有和贵金属相媲美的CO-PORX活性。Araya等人进一步考察了载体（SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂）对负载铜铈催化剂的影响，发现SiO₂作载体可以有效地加强铜与铈之间的相互作用，进而提高催化剂的CO-PROX活性。目前， 负载型铜铈催化剂的制备方法主要集中在湿浸渍法。在本发明中，我们报道了一种在无溶剂存在条件下制备SBA-15负载铜铈催化剂的方法，并将其应用于CO-PROX反应。由于前驱体以固相形式存在，因此该方法简记为固相法。通过与常规湿浸渍法相比较，我们发现固相法制备有利于铜铈物种间的接触，促进铜物种的还原以及更多界面铜物种的产生，并最终表现出优异的CO-PROX反应活性。同时，该方法制备原料易得，操作简便快捷，附加环境污染少，显示出潜在的工业应用前景。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于CO选择性氧化反应的负载型铜铈催化剂及其制备方法。该催化剂制备过程不涉及水溶液，方法简便快捷，在CO-PROX反应中表现出优异的活性。 

本发明的原理如下：利用硝酸亚铈和硝酸铜在受热时会经历熔融状态的特点，将两种金属前躯体与载体SBA-15置于研钵中研磨，混合均匀后升温焙烧。在受热过程中，金属前驱体可以自发地在载体表面分散。同时由于没有溶剂分子的存在，金属盐之间可以直接接触。这样，经高温焙烧后即可得到铜与铈紧密接触且分散良好的CuO-CeO₂/SBA-15催化剂。 

本发明的技术方案如下： 

一种SBA-15负载铜铈催化剂的制备方法，它是将硝酸铜、硝酸亚铈与载体SBA-15混合，在无溶剂存在条件下研磨均匀，经空气气氛中450℃焙烧4h后，得到CuO-CeO₂/SBA-15催化剂，催化剂中CeO₂的质量分数为11-29%，CuO的质量分数为1%-8%。 

通过与常规湿浸渍法制备得到的催化剂相比较，发现两种方法都能很好地使铜物种与CeO₂分散在SBA-15载体上，其中铜物种以高度分散的形式存在，CeO₂以小尺寸的纳米晶形式存在。相比于湿浸渍法，固相法有利于铜铈物种间的紧密接触，进而促进了铜物种的还原以及在CO-PROX反应中的活性。 

本发明所采用的制备方法及制备催化剂的优点： 

1.制备过程不涉及溶剂，可以有效地避免物种的流失； 

2.方法简便快捷，可大规模制备； 

3.能耗低，污染少； 

4.制备催化剂在CO-PROX反应中表现出优异活性。 

附图说明

图1为不同铈含量的CuO-CeO₂/SBA-15催化剂的XRD结果。a、b、c分别代表CeO₂质量百分含量为10%、20%、30%的样品氧化铜质量百分含量为5%。由图可知，固相法可以很好地实现CuO和CeO2上的分散，其中CuO以高度分散的形式存在，CeO2呈现宽化的衍射峰，表明其以小尺寸纳米晶形式存在。 

图2为不同铜含量的CuO-CeO₂/SBA-15催化剂的XRD结果。a、b、c、d分别代表CuO质量百分含量为1%、3%、5%、10%的样品，氧化铈的质量百分含量为20%。由图可知，固相法可以很好地实现CuO和CeO₂上的分散，其中CuO以高度分散的形式存在，CeO₂呈现宽化的衍射峰，表明其以小尺寸纳米晶形式存在。 

图3为（a）固相法和（b）湿浸渍法制备的CuO-CeO₂/SBA-15催化剂的H₂-TPR结果。两个样品中铜铈质量百分含量一致，分别为5%（氧化铜质量百分含量）和20%（氧化铈质量百分含量）。由图可知，固相法制备催化剂中铜物种更容易还原。 

具体实施方法 

实施例1.SBA-15的制备 

将2g P123(聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三嵌段共聚物，数均分子量5800)溶于60g 2M的HCl和15g H₂O中，搅拌溶解后加入4.25g正硅酸四乙酯，40℃条件下反应24h，再在100℃条件下水热反应24h。所得样品经过过滤，洗涤后，于空气中550℃条件下焙烧5h，得到介孔材料SBA-15。 

实施例2.SBA-15负载铜铈催化剂的制备 

准确称取SBA-15（0.342克）、硝酸亚铈（0.086克）和硝酸铜（0.0103克），将其置于研钵中，研磨10min后转入到坩埚中，空气气氛下于450℃焙烧4h后自然降温，即可得到SBA-15负载的铜铈催化剂（CuO-CeO₂/SBA-15）。其中氧化铈的质量百分数为11%，氧化铜的质量百分数为1%。 

实施例3.SBA-15负载铜铈催化剂的制备 

准确称取SBA-15（0.34克）、硝酸亚铈（0.154克），称取0.0515克硝酸铜，将每份硝酸铜分别与SBA-15及硝酸亚铈置于研钵中，研磨10min后转入到坩埚中，空气气氛下于450℃焙烧4h后自然降温，即可得到SBA-15负载的铜铈催化剂（CuO-CeO₂/SBA-15）。其中氧化铈的质量百分数为20%，氧化铜的质量百分数为5%。 

实施例4.SBA-15负载铜铈催化剂的制备 

准确称取SBA-15（0.342克）、硝酸亚铈（0.259克）和硝酸铜（0.103克），将其置于研钵中，研磨10min后转入到坩埚中，空气气氛下于450℃焙烧4h后自然降温，即可得到SBA-15负载的铜铈催化剂（CuO-CeO₂/SBA-15）。其中氧化铈的质量百分数为29%，氧化铜的质量百分数为8%。 

实施例5.制备的催化剂的XRD表征在Philips X’pert X射线衍射仪上进行，H2-TPR在自制的程序升温装置上进行测试，通过热导池来检测信号。 

催化剂的CO-PROX反应活性评价在固定床微反上进行。石英微反应器，催化剂用量50mg,反应气的体积组成:1.0%CO,1.0%O₂,50%H₂以及48%的N₂，反应空速18000mL g^-1h^-1。原料气及产物通过岛津GC-14C气相色谱检测，其中CO,O₂,N₂经5A分子筛分离后用TCD检测，铜铈微量CO经甲烷转化炉甲烷化后通过FID检测。CO转化率和CO₂选择性通过以下公式计算： 

$X_{\mathrm{CO}}(\%)=\frac{{\left[\mathrm{CO}\right]}_{\mathrm{in}}-{\left[\mathrm{CO}\right]}_{\mathrm{out}}}{{\left[\mathrm{CO}\right]}_{\mathrm{in}}}\×100$

$S_{{\mathrm{CO}}_2}(\%)=\frac{0.5({\left[\mathrm{CP}\right]}_{\mathrm{in}}-{\left[\mathrm{CO}\right]}_{\mathrm{out}})}{{\left[O_2\right]}_{\mathrm{in}}-{\left[O_2\right]}_{\mathrm{out}}}\×100$

其结果见图3。 

Claims (1)

1.一种SBA-15负载铜铈催化剂的制备方法，其特征是：它是将硝酸铜、硝酸亚铈与载体SBA-15混合，在无溶剂存在条件下研磨均匀，经空气气氛中450℃焙烧4 h后，得到CuO-CeO₂/SBA-15催化剂，催化剂中CeO₂的质量分数为11-29%，CuO的质量分数为1%-8%。

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