CN102600866A - 一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法 - Google Patents

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朱爱民
李小松
石川
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Abstract

本发明属于催化技术领域，涉及到一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法。其特征是采用介质阻挡放电反应器，以含O2气体为放电气体，施加50Hz-50kHz的正弦交流高压或方波脉冲高压在大气压下产生冷等离子体；含O2气体中O2的体积百分比为5-100％，再生时间为0.1-1小时。纳米金催化剂置于介质阻挡放电反应器的等离子体放电区或等离子体下游区。本发明的效果和益处是在大气压和低温下运行，无需真空设备，装置简便易行，能耗低。该方法非常适用于纳米金催化剂的再生，尤其适用于CO催化氧化反应体系纳米金催化剂的原位再生。

Description

一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法
技术领域
本发明属于催化技术领域，涉及到一种纳米金催化剂的再生方法，特别涉及到一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法。
背景技术
负载型纳米金催化剂对一氧化碳(CO)氧化生成二氧化碳(CO2)反应，在200K的低温下就具有非常高的催化活性。这种水平的催化活性是独一无二的。此外，与已商业化的Hopcalite催化剂(以铜、锰氧化物为主要活性组份)相比，金催化剂对CO氧化反应具有优异的抗湿性能。即纳米金催化剂在环境温度和湿度下可将CO完全催化氧化为CO2，这使其室内空气净化、CO低温传感器、防毒面具以及质子交换膜燃料电池等领域具有广阔的应用前景。但金催化剂容易失活，这严重阻碍了其推广应用。
金催化剂在CO氧化反应过程中，其表面逐渐形成了碳酸盐物种。碳酸盐物种占据催化剂活性位，阻碍了CO和氧分子(O2)的化学吸附，导致金催化剂的失活。但值得庆幸的是，这种碳酸盐物种导致的催化剂失活是可逆的，如使碳酸盐物种分解释放出CO2，金催化剂的活性便可得到恢复(Journal of Catalysis，2006，239：307-312)。热处理是最常用的一种催化剂再生手段，但热处理有可能造成纳米分散的金粒子聚集长大。金催化剂的粒径大小是决定其活性一个关键因素。一般而言，金粒径小于5nm时，金催化剂具有很高的催化活性；当大于10nm时，金催化剂的催化活性迅速下降。金粒子长大造成的失活，显然是不可逆的，催化剂将无法再生。因此，若能发明一种金催化剂的再生手段，既有足够的能量使失活物种完全分解和脱附，又能避免热效应造成的不可逆失活，则无疑可解决纳米金催化剂推广应用的一大障碍。
冷等离子体因其特有的热力学非平衡特性，其电子温度高达104K以上，具有足够的能量使分子激发、解离和电离，而气体温度可低至略高于室温。因此，冷等离子体可胜任金催化剂的再生。与低气压冷等离子体相比，大气压冷等离子体无需真空设备、装置简便易行、可对纳米金催化剂进行原位再生，无疑具有工业应用竞争优势。
发明内容
本发明提供了一种原位、快速和高效的大气压冷等离子体再生纳米金催化剂的新方法，克服常规的热再生易使金粒子聚集长大等缺点。
为实现此目的，本发明的技术方案是采用介质阻挡放电反应器，以含O2气体为放电气体，施加50Hz-50kHz的正弦交流高压或方波脉冲高压在大气压下产生冷等离子体。含O2气体中O2的体积百分比为5-100％，空气可直接作为放电气体。再生时间为0.1-1小时。介质阻挡放电反应器的两电极同时覆盖介质阻挡层或其中一电极覆盖介质阻挡层或一介质阻挡层置于两电极之间。纳米金催化剂置于介质阻挡放电反应器的等离子体放电区或等离子体下游区。对粉状或颗粒状载体负载的纳米金催化剂，将纳米金催化剂装填于介质阻挡放电反应器的放电气隙，或涂覆于放电区介质阻挡层或电极表面，即置于介质阻挡放电反应器的等离子体放电区。对颗粒状、蜂窝状或泡沫状载体负载的纳米金催化剂，将纳米金催化剂置于介质阻挡放电反应器的等离子体下游区。纳米金催化剂上CO氧化反应及其再生可在同一反应器中进行。当进行CO催化氧化反应时，关闭等离子体电源。当纳米金催化剂失活时，开启等离子体电源，对纳米金催化剂进行原位再生。
本发明的效果和益处是，所提供的一种纳米金催化剂的再生方法，不仅可在低温下对失活的纳米金催化剂快速高效地再生，而且可在同一反应器中实现纳米金催化剂的原位再生。另外，该方法适用于粉状、颗粒状、蜂窝状、泡沫状等多种形状载体负载的纳米金催化剂的再生。空气可直接作为再生时放电气体。该方法在大气压和低温下运行，无需真空设备，装置简便易行，能耗低。因此，该方法非常适用于纳米金催化剂的再生，尤其适用于CO催化氧化反应体系纳米金催化剂的原位再生。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
一个内径为8.5mm、厚度为1mm的石英管，其轴心装有一根直径3mm的不锈钢棒作为高压电极，其外壁紧密缠绕着不锈钢网作为接地电极，组成一个介质阻挡放电反应器。将0.5g、20-40目由沉积-沉淀法制备的负载型1wt％Au/TiO2催化剂颗粒，填充于介质阻挡放电反应器的石英管和高压电极之间。常温常压下，含960ppmCO、52％相对湿度(25℃)和600mL/min的模拟空气流入该介质阻挡放电反应器(等离子体电源关闭)，在120000h-1空速下发生CO催化氧化反应。催化剂活性随反应的进行逐渐缓慢降低。当反应17.6h后，CO的转化率由初始的98％降至53％，停止通入含CO的反应气体。将200mL/min的O2通入该介质阻挡放电反应器，施加频率为2kHz的正弦交流高压放电产生等离子体。在等离子体输入功率为18W条件下，对失活的Au/TiO2催化剂进行原位再生20min。再生后的Au/TiO2催化剂在上述相同反应条件下，继续进行CO催化氧化反应，其活性恢复至新鲜时的水平。
实施例2.
采用实施例1所述的介质阻挡放电反应器。将0.5g、20-40目由沉积-沉淀法制备的负载型1wt％Au/TiO2催化剂颗粒，填充于介质阻挡放电反应器的石英管和高压电极之间。常温常压下，含960ppm CO、52％相对湿度(25℃)和600mL/min的模拟空气流入该介质阻挡放电反应器(等离子体电源关闭)，在60000h-1空速下发生CO催化氧化反应。催化剂活性随反应的进行逐渐缓慢降低。当反应200min后，CO的转化率由初始的100％降至90％，停止通入含CO的反应气体。将200mL/min的模拟空气(50％相对湿度，25℃)通入该介质阻挡放电反应器，施加频率为2kHz的正弦交流高压放电产生等离子体。在等离子体输入功率为18W条件下，对失活的Au/TiO2催化剂进行原位再生20min。再生后的Au/TiO2催化剂在上述相同反应条件下，继续进行CO催化氧化反应，其活性恢复至新鲜时的水平。

Claims (5)

1.一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法，其特征是是采用介质阻挡放电反应器，以含O2气体为放电气体，施加50Hz-50kHz的正弦交流高压或方波脉冲高压在大气压下产生冷等离子体；含O2气体中O2的体积百分比为5-100％，再生时间为0.1-1小时。
2.按照权利要求1所述的一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法，其特征是纳米金催化剂置于介质阻挡放电反应器的等离子体放电区或等离子体下游区。
3.按照权利要求2所述的一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法，其特征是对粉状或颗粒状载体负载的纳米金催化剂，将其装填于介质阻挡放电反应器的放电气隙，或涂覆于放电区介质阻挡层或电极表面。
4.按照权利要求2所述的一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法，其特征是对颗粒状、蜂窝状或泡沫状载体负载的纳米金催化剂，将其置于介质阻挡放电反应器的等离子体下游区。
5.按照权利要求1、2、3或4所述的一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法，其特征是纳米金催化剂上CO氧化反应及其再生在同一反应器中进行，当纳米金催化剂失活时，开启等离子体电源对其原位再生。
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