CN101972650A - 一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂及其制备方法 - Google Patents

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邹旭华
齐世学
索掌怀
徐金光
苏丽娟
安立敦
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Abstract

本发明涉及一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂及其制备方法。所述催化剂以贵金属为活性组分,以TiOx-Al2O3、SnOx-Al2O3、MOx修饰的TiOx-Al2O3或者MOx修饰的SnOx-Al2O3为载体,所述催化剂中贵金属的颗粒大小为1纳米~5纳米。与仅以Al2O3负载的贵金属催化剂相比,本发明的纳米贵金属催化剂由于添加了TiOx、SnOx与MOx,不仅具有较高的CO氧化催化活性,而且具有显著提高的反应稳定性。

Description

一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米贵金属催化剂及其制备方法,尤其涉及一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂及其制备方法。
背景技术
负载型贵金属催化剂是一类环境友好催化材料,对CO氧化等许多反应具有优良的催化性能,在室内和工业气体的净化、封闭式CO2激光器、潜水艇、航天器等密闭环境,安全防毒面具,CO气体传感器,氢燃料电池等方面已经或者即将得到广泛的应用。
Al2O3性质稳定,易于成型,是工业上常用的催化剂载体,以复合氧化物MOx/Al2O3(M=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ti,Sn等)为载体的负载型纳米贵金属催化剂比单独以Al2O3为载体的贵金属催化剂在许多反应中显示出更加优良的催化性能。然而,该类催化剂在CO氧化反应中所表现出的逐渐失活、稳定性较差等问题使其至今未能在实际情况下得到广泛的应用。因此,目前急需一种不仅具有高催化活性,而且具有高反应稳定性的CO氧化反应催化剂。
目前,文献报道的制备该类催化剂的方法均采用传统的沉积沉淀法,该法虽然有许多优点,但是必须严格控制反应溶液的pH值,才能制得催化活性较高的负载型催化剂;另外一种制备负载型贵金属催化剂的方法是阴离子浸渍法,该法浸渍溶液的pH值越高,制得催化剂催化CO氧化的初始活性越高。
发明内容
本发明针对现有该类贵金属催化剂表现出的逐渐失活、稳定性较差等问题以及多采用的传统沉积沉淀制备方法的不足,设计在贵金属/Al2O3催化剂的结构中添加可还原性氧化物TiOx、SnOx、以及同时添加过渡金属氧化物FeOx等,并且采用改进的阴离子浸渍法制备催化剂,以期获得具有较高反应稳定性的纳米贵金属催化剂。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂,以贵金属为活性组分,以TiOx-Al2O3、SnOx-Al2O3、MOx修饰的TiOx-Al2O3或者MOx修饰的SnOx-Al2O3为载体,所述催化剂中贵金属的颗粒大小为1纳米~5纳米。
本发明的有益效果是:与仅以Al2O3负载的贵金属催化剂相比,本发明的纳米贵金属催化剂由于添加了TiOx、SnOx与MOx,不仅具有较高的CO氧化催化活性,而且具有显著提高的反应稳定性。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
进一步,所述贵金属为Au、Pt、Pd中的任意一种或几种,所述贵金属的负载量为0.05~10重量%;所述M为Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Ce中的任意一种或几种;所述MOx的负载量为0.05重量%~10重量%;所述TiOx、SnOx的负载量分别为0.05重量%~10重量%。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下:一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法包括以下步骤:
步骤10:采用等体积浸渍法制备催化剂的载体;
步骤20:将贵金属盐溶液的pH值以兼容也调整至6~10,加入适量的去离子水使溶液的总体积等于催化剂载体的孔体积后,将催化剂载体加入到溶液中浸渍1小时~8小时;
步骤30:在浸渍有催化剂载体的溶液内加入pH=10~11的稀氨水,在室温下陈化6小时~48小时后,进行过滤洗涤,再于60℃~120℃干燥12小时~24小时,得到催化剂的前体;
步骤40:将催化剂的前体在氢气或者空气中以2℃/分钟~15℃/分钟的速率升温至100℃~500℃,维持0.5小时~4小时,即可得到高反应稳定性的纳米贵金属催化剂。
本发明的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法不需要严格控制浸渍溶液的pH值,在pH=6~10范围内均可制得高催化活性、高反应稳定性的纳米贵金属催化剂。
进一步,所述催化剂的载体为TiOx-Al2O3或者SnOx-Al2O3,所述步骤10包括:将有机物(C4H9O)4Ti或者(C2H5)4Sn加入乙醇溶液中进行溶解,再将Al2O3浸渍到该溶液中1小时~3小时后,进行干燥再于450℃焙烧。
进一步,所述催化剂的载体为MOx修饰的TiOx-Al2O3或者MOx修饰的SnOx-Al2O3,所述步骤10包括:首先,将有机物(C4H9O)4Ti或者(C2H5)4Sn加入乙醇溶液中进行溶解,再将Al2O3浸渍到该溶液中1小时~3小时后,进行干燥再于450℃焙烧制成TiOx-Al2O3或者SnOx-Al2O3;接着,将M的硝酸盐以水溶解制成M的硝酸盐水溶液,将TiOx-Al2O3或者SnOx-Al2O3加入M的硝酸盐水溶液浸渍1小时~3小时后,进行干燥再于450℃焙烧。
进一步,所述M为Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Ce中的任意一种或几种。
进一步,所述Al2O3的比表面积为50m2/g~300m2/g,孔体积为1.5ml/g~4.0ml/g。
进一步,所述步骤20中的贵金属盐溶液HAuCl4、H2PtCl6或(NH4)2PdCl4,所述贵金属盐溶液的摩尔浓度为0.01mol/L~0.15mol/L。
进一步,所述步骤20中的碱溶液为Na2CO3、K2CO3、NaOH或者KOH中的任意一种。
进一步,所述步骤30的稀氨水的加入量为10ml~20ml每克催化剂的载体。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
实施例1:
称取0.11g(C4H9O)4Ti,以1.5ml乙醇溶解,将1gAl2O3加入后浸渍1~3h后干燥、450℃焙烧,得到载体TiOx-Al2O3
用0.5mol/L的KOH溶液将0.10mol/L的HAuCl4溶液的pH值调整至7,再加入去离子水,使溶液的总体积等于载体的孔体积;将载体TiOx-Al2O3加入到上述溶液中浸渍2h;再加入pH=10的氨水作为陈化剂浸泡24h,氨水的量为20ml每克载体;然后经过滤、洗涤,60℃干燥18h,得到催化剂的前体,将前体置于流动的氢气中,以3℃/分钟的速率升温至250℃,保持3h,得到高分散的纳米金催化剂Au/TiOx-Al2O3
纳米Au/TiOx-Al2O3催化剂中Au占总重量的1.35%,Au的有效负载率为90%,金颗粒的尺寸主要分布在1~3nm。
初始活性测试:在原料气体积组成为:CO:1%;O2:12%;N2:87%、气体体积空速为1.5×104h-1的情况下,通过装有0.2g催化剂的固定床反应器,CO完全转化为CO2(残余CO气相色谱检测极限0.005%,以下同)的最低反应温度为-30℃。
反应稳定性测试:用上述组成的原料气以4.5×104h-1的空速、于30℃下连续通过装有0.2g催化剂的固定床反应器连续反应约140h,CO红外线分析仪在线检测CO透过量≤0.02%;而相同条件下制备的Au/Al2O3在该反应条件下连续反应仅约56h。
实施例2:
载体TiOx-Al2O3的制备如实施例1。
用1mol/L的KOH溶液将0.15mol/L的HAuCl4溶液的pH值调整至9,再加入去离子水,使溶液的总体积等于载体的孔体积;将载体TiOx-Al2O3加入到上述溶液中浸渍2h;再加入pH=11的稀氨水作为陈化剂浸泡24h,氨水的量为15ml每克载体;然后经过滤、洗涤,60℃干燥18h,得到催化剂的前体,将前体置于流动的空气中,以5℃/分钟的速率升温至300℃,保持1h,得到高分散的纳米金催化剂Au/TiOx-Al2O3
纳米Au/TiOx-Al2O3催化剂中Au占总重量的1.35%,Au的有效负载率为90%,金颗粒的尺寸主要分布在2~5nm。
初始活性测试:在原料气体积组成为:CO:1%;O2:12%;N2:87%、气体体积空速为1.5×104h-1的情况下,通过装有0.2g催化剂的固定床反应器,CO完全转化为CO2的最低反应温度为-29℃。
反应稳定性测试:用上述组成的原料气以4.5×104h-1的空速、于30℃下连续通过装有0.2g催化剂的固定床反应器连续反应约48h,CO红外线分析仪在线检测CO透过量≤0.02%;而相同条件下制备的Au/Al2O3在该反应条件下连续反应仅约30h。
实施例3:
载体TiOx-Al2O3的制备如实施例1。
用1mol/L的KOH溶液将0.10mol/L的HAuCl4溶液的pH值调整至8,再加入去离子水,使溶液的总体积等于载体的孔体积;将载体TiOx-Al2O3加入到上述溶液中浸渍2h;再加入pH=10的氨水作为陈化剂浸泡24h,氨水的量为20ml每克载体;然后经过滤、洗涤,60℃干燥18h,得到催化剂的前体,将前体置于流动的氢气中,以5℃/分钟的速率升温至500℃,保持1h,得到高分散的纳米金催化剂Au/TiOx-Al2O3
纳米Au/TiOx-Al2O3催化剂中Au占总重量的1.35%,Au的有效负载率为90%,金颗粒的尺寸主要分布在1~3nm。
初始活性测试:在原料气体积组成为:CO:1%;O2:12%;N2:87%、气体体积空速为1.5×104h-1的情况下,通过装有0.2g催化剂的固定床反应器,CO完全转化为CO2(残余CO气相色谱检测极限0.005%,以下同)的最低反应温度为-29℃。
反应稳定性测试:用上述组成的原料气以4.5×104h-1的空速、于30℃下连续通过装有0.2g催化剂的固定床反应器连续反应约128h,CO红外线分析仪在线检测CO透过量≤0.02%;而相同条件下制备的Au/Al2O3在该反应条件下连续反应仅约50h。
实施例4:
载体TiOx-Al2O3的制备如实施例1,再以和载体TiOx-Al2O3的孔体积等体积的Fe(NO3)3的水溶液浸渍载体TiOx-Al2O3 2h,然后干燥、450℃焙烧得到载体FeOx-TiOx-Al2O3
用0.75mol/L的Na2CO3溶液将0.02mol/L的HAuCl4溶液的pH值调整至8,再加入去离子水,使溶液的总体积等于载体的孔体积;将载体FeOx-TiOx-Al2O3加入到上述溶液中浸渍3h;再加入pH=10的稀氨水作为陈化剂浸泡20h,氨水的量为15ml每克载体;然后经过滤、洗涤,60℃干燥18h,得到催化剂的前体,将前体置于流动的氢气中,以4℃/分钟的速率升温至300℃,保持2h,得到高分散的纳米纳米金催化剂Au/FeOx-TiOx-Al2O3
纳米Au/FeOx-TiOx-Al2O3催化剂中Au占总重量的1.35%,Au的有效负载率为90%,金颗粒的尺寸主要分布在1~3nm。
初始活性测试:在原料气体积组成为:CO:1%;O2:12%;N2:87%、气体体积空速为1.5×104h-1的情况下,通过装有0.2g催化剂的固定床反应器,CO完全转化为CO2的最低反应温度为-30℃。
反应稳定性测试:用上述组成的原料气以4.5×104h-1的空速、于30℃下连续通过装有0.2g催化剂的固定床反应器连续反应约170h,CO红外线分析仪在线检测CO透过量≤0.02%;而相同条件下制备的Au/Al2O3在该反应条件下连续反应仅约56h。
实施例5:
载体TiOx-Al2O3的制备如实施例1。
用0.5mol/L的KOH溶液将0.10mol/L的HPtCl6溶液的pH值调整至7,再加入去离子水,使溶液的总体积等于载体的孔体积;将载体TiOx-Al2O3加入到上述溶液中浸渍2h;pH=10的稀氨水作为陈化剂浸泡30h,氨水的量为15ml每克载体;然后经过滤、洗涤,60℃干燥18h,得到催化剂的前体,将前体置于流动的氢气中,以3℃/分钟的速率升温至250℃,保持2h,得到高分散的纳米铂催化剂Pt/TiOx-Al2O3
纳米Pt/TiOx-Al2O3催化剂中Pt占总重量的1.35%,Pt的有效负载率为90%,铂颗粒的尺寸主要分布在1~3nm。
初始活性测试:在原料气体积组成为:CO:1%;O2:12%;N2:87%、气体体积空速为1.5×104h-1的情况下,通过装有0.2g催化剂的固定床反应器,CO完全转化为CO2的最低反应温度为-28℃。
反应稳定性测试:用上述组成的原料气以4.5×104h-1的空速、于30℃下连续通过装有0.2g催化剂的固定床反应器连续反应约120h,CO红外线分析仪在线检测CO透过量≤0.02%;而相同条件下制备的Pt/Al2O3在该反应条件下连续反应仅约42h。
实施例6:
称取0.15g(C2H5)4Sn,以1.5ml乙醇溶解,将1g Al2O3加入后浸渍2h后干燥、450℃焙烧,得到载体SnOx-Al2O3
用0.5mol/L的KOH溶液将0.08mol/L的HAuCl4溶液的pH值调整至7,再加入去离子水,使溶液的总体积等于载体的孔体积;将载体SnOx-Al2O3加入到上述溶液中浸渍3h;pH=11的稀氨水作为陈化剂浸泡20h,氨水的量为20ml每克载体;然后经过滤、洗涤,60℃干燥18h,得到催化剂的前体,将前体置于流动的氢气中,以4℃/分钟的速率升温至250℃,保持2.5h,得到高分散的纳米金催化剂Au/SnOx-Al2O3
纳米Au/SnOx-Al2O3催化剂中Au占总重量的1.36%,Au的有效负载率为91%,金颗粒的尺寸主要在1~3nm。
初始活性测试:在原料气体积组成为:CO:1%;O2:12%;N2:87%、气体体积空速为1.5×104h-1的情况下,通过装有0.2g催化剂的固定床反应器,CO完全转化为CO2的最低反应温度为-28℃。
反应稳定性测试:用上述组成的原料气以4.5×104h-1的空速、于30℃下连续通过装有0.2g催化剂的固定床反应器连续反应约97h,CO红外线分析仪在线检测CO透过量≤0.02%;而相同条件下制备的Au/Al2O3在该反应条件下连续反应仅约56h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂,其特征在于,所述催化剂以贵金属为活性组分,以TiOx-Al2O3、SnOx-Al2O3、MOx修饰的TiOx-Al2O3或者MOx修饰的SnOx-Al2O3为载体,所述催化剂中贵金属的颗粒大小为1纳米~5纳米。
2.根据权利要求1所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂,其特征在于,所述贵金属为Au、Pt、Pd中的任意一种或几种,所述贵金属的负载量为0.05~10重量%;所述M为Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Ce中的任意一种或几种;所述MOx的负载量为0.05重量%~10重量%;所述TiOx、SnOx的负载量分别为0.05重量%~10重量%。
3.一种高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
步骤10:采用等体积浸渍法制备催化剂的载体;
步骤20:将贵金属盐溶液的pH值以碱溶液调整至6~10,加入适量的去离子水使溶液的总体积等于催化剂载体的孔体积后,将催化剂载体加入到溶液中浸渍1小时~8小时;
步骤30:在浸渍有催化剂载体的溶液内加入pH=10~11的稀氨水,在室温下陈化6小时~48小时后,进行过滤洗涤,再于60℃~120℃干燥12小时~24小时,得到催化剂的前体;
步骤40:将催化剂的前体在氢气或者空气中以2℃/分钟~15℃/分钟的速率升温至100℃~500℃,维持0.5小时~4小时,即可得到高反应稳定性的纳米贵金属催化剂。
4.根据权利要求3所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述催化剂的载体为TiOx-Al2O3或者SnOx-Al2O3,所述步骤10包括:将有机物(C4H9O)4Ti或者(C2H5)4Sn加入乙醇溶液中进行溶解,再将Al2O3浸渍到该溶液中1小时~3小时后,进行干燥再于450℃焙烧。
5.根据权利要求3所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述催化剂的载体为MOx修饰的TiOx-Al2O3或者MOx修饰的SnOx-Al2O3,所述步骤10包括:首先,将有机物(C4H9O)4Ti或者(C2H5)4Sn加入乙醇溶液中进行溶解,再将Al2O3浸渍到该溶液中1小时~3小时后,进行干燥再于450℃焙烧制成TiOx-Al2O3或者SnOx-Al2O3;接着,将M的硝酸盐以水溶解制成M的硝酸盐水溶液,将TiOx-Al2O3或者SnOx-Al2O3加入M的硝酸盐水溶液浸渍1小时~3小时后,进行干燥再于450℃焙烧。
6.根据权利要求5所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述M为Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Ce中的任意一种或几种。
7.根据权利要求4或5所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述Al2O3的比表面积为50m2/g~300m2/g,孔体积为1.5ml/g~4.0ml/g。
8.根据权利要求3所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤20中的贵金属盐溶液HAuCl4、H2PtCl6或(NH4)2PdCl4,所述贵金属盐溶液的摩尔浓度为0.01mol/L~0.15mol/L。
9.根据权利要求3所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤20中的碱溶液为Na2CO3、K2CO3、NaOH或者KOH中的任意一种或几种。
10.根据权利要求3所述的高反应稳定性的纳米贵金属催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤30的稀氨水的加入量为10ml~20ml每克催化剂的载体。
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