CN104014345A - 用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂及其制备方法 - Google Patents
用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂及其制备方法,是采用络合沉积沉淀法,将铈盐溶液与碱溶液进行混合,经陈化、冷却、离心、洗涤、干燥得到CeO2载体;然后将载体分散在铜氨络合溶液中,并向其中加入碱溶液进行反应,再经陈化、冷却、离心、洗涤、干燥、焙烧制得CuO-CeO2催化剂。与通常采用沉积沉淀法制得的CuO-CeO2催化剂相比,本发明采用Cu2+络合成[Cu(NH3)4]2+的方式沉积CuO,使活性组分CuO微晶高度分散,对水煤气变换反应具有较高的活性,适用温区宽,适用于制氢工艺中以天然气、轻油等低含硫原料的水煤气变换反应。
Description
技术领域
本发明属于水煤气变换工艺及催化剂技术领域,具体涉及一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂及其制备方法。
背景技术
氢能来源广泛、清洁环保,是一种极优越的二次能源,受到全世界的广泛关注。目前,世界上可用于规模制氢的方法主要是电解水制氢和化石能源制氢。电解水制氢的能耗大,制氢成本较高;化石能源制氢主要采用煤气化和天然气重整工艺,气化和重整产物中往往含有一定浓度的CO,可进一步通过水煤气变换反应(CO+H2O→H2+CO2)降低CO浓度,同时产生氢气,制取高纯度的氢。因此,水煤气变换反应是化学工业制取洁净氢气的一个重要反应过程,而开发高效的水煤气变换反应催化剂更是至关重要。
为克服高温变换催化剂存在F-T副反应,丹麦托普索公司率先开展了Cu基高温变换催化剂的研究,成功开发了LK-811和KK-142型高变催化剂。日本专利(专利号:JP2004321924A)也描述了一种负载在Zn-Al氧化物上的Cu-碱金属催化剂,催化剂在400℃常压下测试,所需的铜含量为2-20%。国内铜基高变催化剂的研究始于20世纪八十年代,目前仍处于实验室研究阶段,未见工业应用的报道。福州大学以γ-Al2O3为载体负载Ni-Cu-Mn-K制备多元体高温水煤气变换催化剂,活性温区200-450℃。内蒙古工业大学公开了一种铜錳基变换催化剂及其制备方法(中国专利CN1654121),催化剂通式为Cua(Mn)bO4-M,活性组分为Cua(Mn)bO4,M为热稳定助剂。南化院的专利(CN1350883)描述了一种Cu-Zn-Al系一氧化碳高变催化剂,采用高纯氧化铝为载体,可溶性铜盐、锌盐为活性组分,在一定的入口温度下,催化剂热稳定性好,活性高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂及其制备方法,是采用沉积沉淀法制备的一种活性高、适用温区宽、耐热稳定性优异和能有效抑制F-T副反应的CuO-CeO2变换催化剂。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)在搅拌下,将铈盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的水中,混合反应后,经陈化、冷却、离心、洗涤得到沉淀,再经干燥获得CeO2载体;
2)在室温下,将氨水溶液逐滴加入铜盐溶液中,得到铜氨络合溶液;
3)将步骤1)制得的CeO2载体超声分散于水中,然后在500~700 r/min搅拌下加入步骤2)得到的铜氨络合溶液,并继续搅拌1h;
4)在搅拌条件下,将碱溶液加入步骤3)的混合液中进行反应,陈化后经冷却、离心、洗涤、干燥、焙烧制得所述CuO-CeO2催化剂。
步骤1)所述铈盐溶液为Ce(NO3)3·6H2O、(NH4)2Ce(NO3)6、Ce2(SO4)3·8H2O和Ce(SO4)2·4H2O中一种或几种的水溶液。
步骤2)所述铜盐溶液为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中一种或几种的水溶液。
为了使制备的CeO2载体及所负载CuO晶粒大小均匀、尺寸较小,控制铈盐溶液和铜盐溶液的浓度均为0.05~0.2 mol/L。
步骤2)所述氨水溶液的浓度为1~25 wt%;所得铜氨络合溶液中Cu2+与NH3的摩尔比为1:2~6。
所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸铵和碳酸氢铵中一种或几种的水溶液。
步骤4)加入碱溶液后溶液的pH值为8-12。
步骤4)所述反应温度为50-90℃,反应时间1-8h。
步骤4)所述的干燥温度为80-120℃;所述的焙烧温度为300-800℃,焙烧时间1-8h。
所得CuO-CeO2催化剂由活性组分CuO和CeO2载体组成,其中CuO含量为5~30 wt%,优选CuO含量为15-30 wt%。
本发明的显著优点在于:CuO-CeO2催化剂的活性组分为Cu,Cu晶粒的大小以及前驱体CuO的种类对其变换性能影响显著。本发明CuO-CeO2催化剂的制备是优先将Cu2+与NH3进行络合,生成[Cu(NH3)4]2+,再采用沉积沉淀法,使沉淀过程中Cu2+缓慢释放,提高CuO的分散性,以获得尺寸较小的晶粒;同时利用CeO2表面Ce3+和Ce4+快速调变能力及其表面丰富的氧空位,增加Cu活性组分与CeO2载体之间的强相互作用,增强Cu微晶的耐热性能,从而获得一种活性高、适用温区宽、耐热稳定性优异和能有效抑制F-T副反应的CuO-CeO2变换催化剂,其适用于制氢工艺中以天然气、轻油等低含硫原料的水煤气变换反应。
附图说明
图1为本发明实施例4和对比例制得的催化剂样品活性测试的XRD图,其中a为实施例4所得CuO-CeO2催化剂样品,b为对比例1所得CuO-CeO2催化剂样品。
图2为本发明实施例4和对比例制得的催化剂样品的CO-TPR图,其中a为实施例4所得CuO-CeO2催化剂样品,b为对比例1所得CuO-CeO2催化剂样品。
具体实施方式
实施例1
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 0.635 g溶解于26.3 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;量取0.4ml 25wt%氨水溶解在10ml的去离子水中,配成氨水溶液;在室温下,将氨水溶液逐滴加入Cu2+盐溶液中,得到[Cu(NH3)4]2+水溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体4g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在500 r/min搅拌下加入步骤2)得到的[Cu(NH3)4]2+水溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在80℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为10,保持温度,继续搅拌陈化4h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中800℃下焙烧1小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
实施例2
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 1.005 g溶解于41.6 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;量取1.3ml 25wt%氨水溶解在6.3ml的去离子水中,配成氨水溶液;在室温下,将氨水溶液逐滴加入Cu2+盐溶液中,得到[Cu(NH3)4]2+水溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体3g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在600 r/min搅拌下加入步骤2)得到的[Cu(NH3)4]2+水溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在90℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为10,保持温度,继续搅拌陈化2h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中600℃下焙烧2小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
实施例3
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 1.599 g溶解于66.1 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;量取3ml 25wt%氨水溶解在4.5ml的去离子水中,配成氨水溶液;在室温下,将氨水溶液逐滴加入Cu2+盐溶液中,得到[Cu(NH3)4]2+水溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体3g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在700 r/min搅拌下加入步骤2)得到的[Cu(NH3)4]2+水溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在80℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为10,保持温度,继续搅拌陈化2h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中800℃下焙烧2小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
实施例4
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 2.265 g溶解于93.8 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;量取1.4ml 25wt%氨水溶解在5.7ml的去离子水中,配成氨水溶液;在室温下,将氨水溶液逐滴加入Cu2+盐溶液中,得到[Cu(NH3)4]2+水溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体3g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在500 r/min搅拌下加入步骤2)得到的[Cu(NH3)4]2+水溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在80℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为10,保持温度,继续搅拌陈化2h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中600℃下焙烧2小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
实施例5
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 2.618 g溶解于108 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;量取3.3ml 25wt%氨水溶解在13.1ml的去离子水中,配成氨水溶液;在室温下,将氨水溶液逐滴加入Cu2+盐溶液中,得到[Cu(NH3)4]2+水溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体2.6g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在600 r/min搅拌下加入步骤2)得到的[Cu(NH3)4]2+水溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在80℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为9,保持温度,继续搅拌陈化2h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中600℃下焙烧2小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
实施例6
一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 3.365 g溶解于139 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;量取0.4ml 25wt%氨水溶解在10ml的去离子水中,配成氨水溶液;在室温下,将氨水溶液逐滴加入Cu2+盐溶液中,得到[Cu(NH3)4]2+水溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体2.6g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在700 r/min搅拌下加入步骤2)得到的[Cu(NH3)4]2+水溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在60℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为9,保持温度,继续搅拌陈化6h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中300℃下焙烧6小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
对比例1
对比例CuO-CeO2催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)称取Ce(NO3)3·6H2O 43.422g,加入200 mL去离子水溶解,配成Ce3+盐溶液;称取KOH 16.833 g,配成600 mL的碱溶液;在机械搅拌下,采用并流共沉淀法将Ce3+盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的去离子水中,至溶液pH值为10,混合反应后陈化6 h,冷却、离心得到沉淀,将沉淀经8次洗涤以脱除杂质离子,再于120℃下干燥12小时制得CeO2载体;
2)称取Cu(NO3)2·3H2O 3.020 g溶解于125 mL去离子水中,配成Cu2+盐溶液;
3)称取步骤1)制得的CeO2载体4g,加入去离子水100ml,超声分散20min后移至500ml圆底烧瓶中,然后在700 r/min搅拌下加入步骤2)得到的Cu2+盐溶液,室温搅拌吸附1h;
4)在80℃下,一边搅拌一边将0.5 mol/L KOH溶液加入步骤3)的混合液中至pH值为10,保持温度,继续搅拌陈化4h后冷却、离心,所得沉淀经6次洗涤以脱除杂质离子,110℃下干燥10小时,制成具有一定粉粒比的混合物,然后在静态空气气氛中450℃下焙烧4小时,经压片成型即得CuO-CeO2催化剂样品。
采用X’pert Pro衍射仪(荷兰Panalytic公司)进行X射线粉末衍射分析:X’Celerator探测器,Co-Kα(λ=0.1789 nm)靶辐射,管压40 kV,管流40 mA,扫描步长为0.0167°,每步10 s,扫描范围为2θ=10~100°。
采用AutoChem2920自动催化剂表征系统(美国Micrometric公司)进行CO程序升温还原(CO-TPR)实验。实验方法为:称取50 mg样品,按10℃/min升温到200℃,用惰性气体(He)吹扫样品30 min,降至室温后,改用5% CO/He混合气吹扫样品,流速为30 mL/min,等TCD基线平稳后,再按10℃/min升温到500℃。同时采用在线质谱仪(英国hiden公司HPR20型)记录还原产物信号。
活性测试条件为:原料气组成为15 vol% CO,55 vol% H2,6 vol% CO2,24 vol% N2,反应汽气比为1:1,空速为4000 h-1,催化剂活性测试温区为200~400℃。
催化剂的活性用CO转化率表示,其计算方法如下:
CO转化率=(1–VCO'/VCO)/(1+VCO)×100%,
其中,VCO'为反应器出口气中CO的体积百分数,VCO为原料气中CO的体积百分数。
图1为本发明实施例4和对比例1制得的催化剂活性测试的XRD图谱,其中a为实施例4所得CuO-CeO2催化剂样品,b为对比例1所得CuO-CeO2催化剂样品。由图1可见,活性测试中实施例4样品的Cu衍射峰,强度较小,半峰宽较窄,说明氨水的加入有利于获得较小的Cu晶粒尺寸。
图2为本发明实施例4和对比例1制得的催化剂样品的CO-TPR图,其中a为实施例4所得CuO-CeO2催化剂样品的CO-TPR图,b为对比例1所得CuO-CeO2催化剂样品的CO-TPR图。图2中β峰为与CeO2载体具有强相互作用的CuO物种的还原峰,从图中可以看出氨水的加入有利于获得较多的该物种。
实施例及对比例的活性评价结果如表2。
表1 实施例和对比例制备的CuO-CeO2催化剂的条件
表2 实施例及对比例催化剂样品的催化活性评价结果
从表1和表2对比可以看出,当CuO含量较低时(低于15 wt%),随着CuO含量的增大,催化剂的活性变换显著;当CuO含量为15 wt%时,即可表现出良好的水煤气变换反应催化活性;继续增大CuO含量,活性变化未表现出正相关性,说明Cu物种为活性中心;比较CuO含量相同的两个样品(实施例4和对比例1)的活性数据可以发现,少量氨水的添加即可提高CuO-CeO2催化剂变换活性,由此可见,[Cu(NH3)4]2+水溶液的形成有利于Cu物种的分散,从而提高CuO-CeO2催化剂的变换反应活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)在搅拌下,将铈盐溶液与碱溶液同时逐滴加入80℃的水中,混合反应后,经陈化、冷却、离心、洗涤得到沉淀,再经干燥获得CeO2载体;
2)在室温下,将氨水溶液逐滴加入铜盐溶液中,得到铜氨络合溶液;
3)将步骤1)制得的CeO2载体超声分散于水中,然后在500~700 r/min搅拌下加入步骤2)得到的铜氨络合溶液,并继续搅拌1h;
4)在搅拌条件下,将碱溶液加入步骤3)的混合液中进行反应,陈化后经冷却、离心、洗涤、干燥、焙烧制得所述CuO-CeO2催化剂。
2.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤1)所述铈盐溶液为Ce(NO3)3·6H2O、(NH4)2Ce(NO3)6、Ce2(SO4)3·8H2O和Ce(SO4)2·4H2O中一种或几种的水溶液。
3.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤2)所述铜盐溶液为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中一种或几种的水溶液。
4.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:铈盐溶液和铜盐溶液的浓度均为0.05~0.2 mol/L。
5.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤2)所述氨水溶液的浓度为1~25 wt%;所得铜氨络合溶液中Cu2+与NH3的摩尔比为1:2~6。
6.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸铵和碳酸氢铵中一种或几种的水溶液。
7.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤4)加入碱溶液后溶液的pH值为8-12。
8.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤4)所述反应温度为50-90℃,反应时间1-8h。
9.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的CuO-CeO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤4)所述的干燥温度为80-120℃;所述的焙烧温度为300-800℃,焙烧时间1-8h。
10.一种如权利要求1所述制备方法制得的CuO-CeO2催化剂,其特征在于:所得CuO-CeO2催化剂由活性组分CuO和CeO2载体组成,其中CuO含量为5~30 wt%。
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