ZrO_2和Nb_2O_5双助剂对Au/a-Fe_2O_3低温水煤气变换催化剂的改性研究

【摘要】： 低温工作的燃料电池通常利用富氢水煤气变换反应,即CO + H_2O←→CO_2 + H_2,来深度清除原料气中的CO并制取氢气。Au/α-Fe_2O_3催化剂具有良好的低温水煤气变换活性,该催化剂在富氢气氛下存在着严重的失活问题,制约了其在燃料电池领域的应用。为提高Au/α-Fe_2O_3催化剂的活性与稳定性,本论文首次提出了添加酸性氧化物Nb_2O_5与ZrO_2作为复合助剂,对Au/α-Fe_2O_3催化剂进行改性,取得了一定的成效,具体归纳如下: 1.首次采用并流共沉淀和超声波技术相结合的方法制备了新型Au/α-Fe_2O_3-ZrO_2-Nb_2O_5催化剂。该制备方法提高了Nb_2O_5难溶固体粉末在催化剂中的分散,为难溶固体粉末催化材料的应用提供了可借鉴的方法。 2.系统地探讨了沉淀方式、沉淀pH值、超声时间、助剂含量、金负载量、焙烧温度等制备参数对Au/α-Fe_2O_3-ZrO_2-Nb_2O_5催化剂性能的影响。确定了其最佳制备条件为:并流共沉淀方式,沉淀pH值为8.0,超声20min,ZrO_2和Nb_2O_5含量为10%,金负载量为8%,焙烧温度300℃。 3.利用BET, XRD, HRTEM, H_2-TPR, CO_2-TPD, UV-Vis DRS, XPS和Raman等技术对催化剂进行表征,结果表明:(1)ZrO_2和Nb_2O_5双助剂之间存在着较强的相互作用使得两者在Au/α-Fe_2O_3-ZrO_2-Nb_2O_5催化剂表面富集;(2)表面ZrO_2和Nb_2O_5浓度的增加,有效地阻隔了金粒子的团聚,提高了金的分散度;(3)ZrO_2和Nb_2O_5双助剂的添加,显著地提高了Au/α-Fe_2O_3催化剂的比表面积,大大降低了Fe_3O_4和活性组分金粒子的晶粒度。ZrO_2和Nb_2O_5双助剂间的协同作用是提高Au/α-Fe_2O_3催化剂在富氢气氛下活性和稳定性的主要原因。 4.在模拟的富氢甲醇重整气氛下对Au/α-Fe_2O_3-ZrO_2-Nb_2O_5催化剂进行WGS性能评价,测试结果表明该催化剂具有优越的催化性能。在反应温度200℃,空速11000h-1条件下,其CO转化率达99%,几乎接近平衡转化率;经过连续50h的稳定性测试,催化活性仅下降15%。 【关键词】：ZrO_2 Nb_2O_5 Au/α-Fe_2O_3 助剂 水煤气变换反应
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 前言8-20
• 1.1 传统变换催化剂的研究状况8-9
• 1.2 开发新型水煤气变换催化剂的意义9-11
• 1.3 负载型金催化剂的研究概况11-18
• 1.3.1 制备方法的影响11-12
• 1.3.2 载体和助剂的影响12-15
• 1.3.3 制备参数和反应条件的影响15-16
• 1.3.4 催化机理的研究16-18
• 1.4 本课题的课题来源、立题依据及主要研究内容18-20
• 第二章 实验部分20-27
• 2.1 实验流程图20-21
• 2.2 主要药品与仪器21-22
• 2.2.1 主要试剂21
• 2.2.2 主要设备及仪器21-22
• 2.2.3 钢瓶气体22
• 2.3 实验仪器设备装置22-23
• 2.3.1 负载型金催化剂制备装置22-23
• 2.3.2 负载型金催化剂性能评价装置23
• 2.4 催化剂的制备与性能评价23-25
• 2.4.1 催化剂的制备23-24
• 2.4.2 催化剂的WGSR 活性评价24
• 2.4.3 催化剂的WGSR 稳定性评价24-25
• 2.5 催化剂的表征25-27
• 2.5.1 比表面和孔结构测定25
• 2.5.2 X 射线粉末衍射（XRD）25
• 2.5.3 H_2-程序升温还原（H_2-TPR）25
• 2.5.4 CO_2 程序升温脱附（CO_2-TPD）25-26
• 2.5.5 X 射线光电子能谱（XPS）26
• 2.5.6 高分辨透射电镜（HRTEM）26
• 2.5.7 紫外可见漫反射（UV-Vis DRS）26
• 2.5.8 X 射线荧光元素分析（XRF）26
• 2.5.9 共焦显微拉曼光谱分析（Raman）26-27
• 第三章 双助剂及制备参数对Au/α-Fe_20_3催化剂水煤气变换性能的影响27-39
• 3.1 双助剂对Au/α-Fe_20_3 催化性能的影响27-28
• 3.2 制备参数对ZrO_2 和Nb_2O_5 双助剂改性Au/α-Fe_20_3 催化性能的影响28-34
• 3.2.1 助剂含量变化的影响28-29
• 3.2.2 金负载量的影响29-30
• 3.2.3 焙烧温度的影响30-31
• 3.2.4 沉淀方式的影响31-32
• 3.2.5 沉淀pH 值的影响32-33
• 3.2.6 超声时间的影响33-34
• 3.3 催化活性及稳定性34-38
• 3.3.1 催化剂的活性34-35
• 3.3.2 催化剂的稳定性35-38
• 3.3.2.1 11000h~(-1) 空速下的稳定性测试36-37
• 3.3.2.2 22000h~(-1) 空速下的稳定性测试37-38
• 3.4 小结38-39
• 第四章 ZrO_2和Nb_2O_5双助剂改性Au/α-Fe_20_3催化剂的作用机理探讨39-63
• 4.1 比表面和孔结构性质测定39-40
• 4.2 催化剂的物相分析40-45
• 4.2.1 焙烧样品的XRD 分析40-41
• 4.2.2 还原样品的XRD 分析41-43
• 4.2.3 反应后样品的XRD 分析43-44
• 4.2.4 金物相分析44-45
• 4.3 HRTEM 观察45-47
• 4.4 H_2-TPR 测试47-49
• 4.5 XPS49-55
• 4.6 UV-Vis DRS 分析55-56
• 4.7 CO_2-TPD 测试56-58
• 4.8 Raman 光谱分析58-62
• 4.9 小结62-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 5.1 论文工作总结63-64
• 5.2 工作展望64-65
• 参考文献65-71
• 致谢71-72
• 附录72-73
• 作者简历73
• 在硕士学习期间发表的论文73

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