CN107649129B - 一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用，所述的整装结构化金催化剂是一种在骨架基体上先锚附Al2O3纳米片形成整装结构化基体，再在该整装结构化基体上外延生长金属氧化物纳米片层使形成整装结构化载体，最后在该整装结构化载体上负载纳米金颗粒得到；在所述的整装结构化金催化剂中，纳米金颗粒所占的质量百分比为0.05～5.0％，金属氧化物所占的质量百分比为0.5～10％，余量为整装结构化基体。实验表明：本发明提供的整装结构化金催化剂导热性好、渗透率高、结构稳定，且具有结构有序和形貌定型化特征，能充分满足一氧化碳氧化反应和水汽变换反应的催化性能要求，且低温催化性能优异，能实现CO的完全转化。

Description

一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明是涉及一种催化剂及其制备方法和应用，具体说，是涉及一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用，属于催化技术领域。
背景技术
随着环境污染的加剧，新型燃料电池的开发以及空气、汽车尾气的快速净化受到越来越广泛的关注。通过负载型催化剂在富氢气体或空气氛中于较大温度范围内催化一氧化碳高效氧化，可解决燃料电池原料气中痕量一氧化碳毒化贵金属铂电极的问题，也可实现空气的快速净化。在实际生产链中，催化剂成本仅占总成本不足10％，因此负载型催化剂在实际生产中具有非常广阔的应用前景。
一氧化碳催化氧化主要有空气氛中一氧化碳催化氧化及富氢气体中一氧化碳优先氧化等方式。负载型催化剂主要包括催化剂载体及负载在催化剂载体上的活性组分，目前用于一氧化碳催化氧化的催化剂活性组分主要有贵金属(钯、铂、金)和非贵金属(铜、铈)。与非贵金属催化剂相比，贵金属催化剂具有更高的低温反应活性，因此被广泛的应用于一氧化碳催化氧化过程。目前常用的催化剂载体主要有氧化铝、氧化铁、氧化钛、氧化铈、氧化镍及部分稀土金属氧化物，以及镁铝、铁铝水滑石等(如中国专利CN201510597861.7、CN201410729207.2、CN201410270899.9和CN201310308039.5)。但是一氧化碳氧化反应为强放热反应(ΔH0＝-283kJ/mol)，例如在高浓度一氧化碳氧化过程中，若以上述导热性能较差的氧化物材料为载体，源于强放热的一氧化碳氧化，催化剂床层容易发生“起燃”现象，从而引起催化剂床层温度急剧升高，导致催化剂的烧结失活；同时，使用上述氧化物粉末做载体的催化剂还容易导致较高的压力降，进而对反应装置提出了比较高的要求，甚至引发安全事故。为了消除反应过程中气体内扩散和外扩散的限制，目前一般采用减小催化剂颗粒粒径或(和)增大反应气流速等方式，然而会进一步导致高压降，进而带来诸多能耗和安全等方面的问题。
另外，低温水汽变换反应主要用于烃类蒸汽转化制氢及调节合成气中的一氧化碳含量等工业过程，近年来，随着燃料电池的研制开发，富氢条件下一氧化碳的脱除问题引起广泛关注。在用于水汽变换反应的铁铬高温催化剂、Cu/ZnO/Al2O3催化剂以及贵金属(Au、Pt、Pd)催化剂等催化剂体系中，金基催化剂表现出较高的低温反应活性与选择性。现有技术用于低温水汽变换反应的金基催化剂主要为负载型催化剂，例如以氧化铁、氧化钛、氧化铈和氧化铬等为载体的金基催化剂。而负载型催化剂所常用的氧化铁、氧化钛、氧化铈和氧化铬等氧化物载体，由于其低导热性能而无法及时移除该反应所放出的大量反应热，导致催化剂床层局部热点的形成，进而导致催化剂烧结失活和/或反应“飞温”失控，甚至引发安全事故。因此，研制开发具有热质传递性能好、适于高通量低压降操作的催化剂具有十分重要的实际意义。
另外，中国发明专利“CN201410168177一种整装式催化剂及其制备方法和应用”中公开了一种多孔化的锚附氧化物的金属相载体上负载活性贵金属的催化剂及其在甲烷和VOCs催化燃烧中的应用，虽然该专利说明书中提到所述的活性贵金属包括钯、铂、钌、铑、铱、金、银中的至少一种，但在该专利实施例和应用例中仅仅以钯为例，并未公开金催化剂的制备和催化性能；而众所周知，金催化剂的催化性能对形貌和结构特别敏感，但该专利所制得的含贵金属多孔氧化物层呈现无定型形貌，很显然难以获得具有良好低温催化CO氧化性能的金催化剂(具体可详见本发明的对比例和应用对比例)。
综上所述，一氧化碳氧化反应和水汽变换反应都存在较强烈的热质传递效应，寻找一种集良好抗烧结性能、良好的热质传递性能、兼有高通量低压降操作等优点于一体的整装结构化催化剂并用于一氧化碳氧化反应和水汽变换反应，是一个富有挑战性和实际应用价值的研究课题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种整装结构化金催化剂及其制备方法和其在一氧化碳氧化反应和水汽变换反应中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种整装结构化金催化剂，是一种在骨架基体上先锚附Al2O3纳米片形成整装结构化基体，再在该整装结构化基体上外延生长金属氧化物纳米片层使形成整装结构化载体，最后在该整装结构化载体上负载纳米金颗粒得到；在所述的整装结构化金催化剂中，纳米金颗粒所占的质量百分比为0.05～5.0％，金属氧化物所占的质量百分比为0.5～10％，余量为整装结构化基体。
作为优选方案，所述骨架基体的材质为镍、不锈钢、铝、钛、碳化硅、紫铜、白铜、黄铜、铁铬铝中的任意一种。
作为优选方案，所述骨架基体的形态结构选自泡沫、纤维、纤维毡、丝、丝网、片、箔、管中的任意一种。
作为进一步优选方案，所述泡沫的开孔度为10～120PPI；所述纤维的直径为1～150微米；所述纤维毡是由直径为1～150微米的纤维烧结而成的具有三维多孔结构的整体式金属纤维毡；所述丝的直径为0.15～5.00毫米；所述丝网是由直径为0.15～5.00毫米的丝线编织而成；所述片的厚度为0.1～2毫米；所述箔的厚度为0.5～100微米；所述管的外径为2～50毫米、壁厚为0.5～5毫米。
作为优选方案，所述金属氧化物为碱土金属、镧系稀土金属、锰、铁、钴、铜、锌、铝、镓、铟、锡、钇、钛、锆、铌中的至少一种金属的氧化物。
作为优选方案，所述整装结构化金催化剂的孔隙率为5～95％。
一种制备本发明所述的整装结构化金催化剂的方法，包括如下具体步骤：
a)先在骨架基体上生长AlOOH或/和Al(OH)3纳米片，然后进行清洗、干燥和焙烧，制得在骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
b)将步骤a)制得的整装结构化基体浸没在由金属氧化物的前驱体与尿素形成的混合水溶液中，在高压反应釜内于80～200℃下保持10～24小时；然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～900℃下焙烧0.5～12小时，制得整装结构化载体；
c)将步骤b)制得的整装结构化载体浸没在由金前驱体与尿素形成的混合水溶液中，在高压反应釜内于50～150℃下保持1～10小时；然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在100～500℃下焙烧1～10小时，即得所述的整装结构化金催化剂。
一种实施方案，步骤a)制备整装结构化基体的方法如下：
①用酸或碱对铝质骨架基体进行表面清洁处理；
②将经表面清洁处理后的铝质骨架基体在100～200℃下用水蒸气处理1～40小时，然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～600℃下焙烧0.5～12小时，即得在铝质骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体。
另一种实施方案，步骤a)制备整装结构化基体的方法如下：
①用酸或碱对铝质骨架基体进行表面清洁处理；
②将经表面清洁处理后的铝质骨架基体移入高压反应釜内并加水至其被完全浸没，然后在60～190℃下处理3～24小时，然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～600℃下焙烧0.5～12小时，即得在铝质骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体。
另一种实施方案，步骤a)制备整装结构化基体的方法如下：
①用酸或碱对非铝质骨架基体进行表面清洁处理；
②将经表面清洁处理后的非铝质骨架基体浸没在由偏铝酸钠与尿素形成的混合水溶液中，在高压反应釜内于50～250℃下保持3～24小时；然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～900℃下焙烧0.5～12小时，即得在非铝质骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体。
作为优选方案，步骤②中的尿素与偏铝酸钠的摩尔比为2：1～10：1。
作为优选方案，步骤b)中所述的金属氧化物的前驱体是指含有该金属离子的硝酸盐、硫酸盐、卤化物、草酸盐、乙酸盐、乙酰丙酮盐中的任意一种。
作为优选方案，步骤b)中的尿素与金属氧化物的前驱体中的金属离子的摩尔比为2：1～25：1。
作为优选方案，步骤c)中所述的金前驱体为氯金酸、氯金酸钠、氯金酸铵、乙二胺氯化金中的任意一种。
作为优选方案，步骤c)中的尿素与金前驱体的摩尔比为10：1～200：1。
实验表明：本发明所述的整装结构化金催化剂可用作一氧化碳氧化反应和水汽变换反应的催化剂。
与现有技术相比，本发明具有如下显著性有益效果：
实验结果表明：本发明提供的整装结构化金催化剂导热性好、渗透率高、结构稳定，且其制备方法简单、原料易得、结构可控，能充分满足一氧化碳氧化反应和水汽变换反应的催化性能要求；尤其是，本发明所提供的整装结构化金催化剂呈现出结构有序和形貌定型化特征，相较于CN201410168177中的无定型形貌的整装式催化剂，具有更为优异的低温催化CO氧化的性能，是适用于一氧化碳氧化反应的理想催化剂。
附图说明
图1是实施例1中的骨架基体(图中的a)及所制备的整装结构化基体(图中的b)的X射线衍射(XRD)对照图；
图2是实施例1制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；
图3是实施例1制备的整装结构化金催化剂的扫描电镜(SEM)照片；
图4是实施例2制备的整装结构化载体的X射线衍射(XRD)图；
图5是实施例3制备的整装结构化金催化剂的扫描电镜(SEM)照片；
图6是实施例4制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；
图7是实施例4制备的整装结构化金催化剂的扫描电镜(SEM)照片；
图8是实施例5制备的整装结构化载体的X射线衍射(XRD)图；
图9是实施例6制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；
图10是实施例9制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；
图11是对比例制备的对比催化剂的扫描电镜(SEM)照片；
图12是实施例1制备的整装结构化金催化剂在CO氧化反应中催化稳定性结果。
具体实施方式
下面结合实施例、对比例和应用例对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。
实施例1
①称取3g铝纤维(直径80μm)，用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠水溶液浸泡处理，用去离子水洗净后，在150℃下用水蒸气处理12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于450℃焙烧2小时，制得在铝纤维骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(4.50mmol)溶于80mL蒸馏水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入硝酸铁溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于120℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧5小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为2.0％，Al2O3所占的质量百分比为9.3％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为85％。
图1是本实施例中的骨架基体(图中的a)及所制备的整装结构化基体(图中的b)的X射线衍射(XRD)对照图；
图2是本实施例制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；由图2可见，所制备的整装结构化基体呈现出结构有序和形貌定型化的特点。
图3是本实施例制备的整装结构化金催化剂的扫描电镜(SEM)照片；由图3可见，所制备的整装结构化金催化剂也呈现出结构有序和形貌定型化的特点。
实施例2
①同实施例1的步骤①；
②室温下，将硝酸铈(4.50mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于140℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铈纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧5小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，CeO2所占的质量百分比为2.3％，Al2O3所占的质量百分比为3.5％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为83％。
图4是本实施例制备的整装结构化载体的X射线衍射(XRD)图。
实施例3
①同实施例1的步骤①；
②室温下，将硝酸铟(4.50mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于160℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铟纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧5小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，In2O3所占的质量百分比为2.0％，Al2O3所占的质量百分比为3.1％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为83％。
图5是本实施例制备的整装结构化金催化剂的扫描电镜(SEM)照片；由图5可见：所准备的整装结构化金催化剂呈现出结构有序和形貌定型化的特点。
实施例4
①将烧结的金属镍纤维(直径8μm)裁剪成直径为6mm的圆片，称取3g，用浓度为6mol/L的盐酸水溶液浸泡处理，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(6.00mmol)和尿素(24mmol)溶于60mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的金属镍纤维浸入其中，于160℃下保持8小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得在烧结的金属镍纤维骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(9.04mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于180℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧5小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为2.1％，Al2O3所占的质量百分比为2.8％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为78％。
图6是本实施例制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；图7是本实施例制备的整装结构化金催化剂的扫描电镜(SEM)照片；由图6和图7可见：所制备的整装结构化基体和整装结构化金催化剂都呈现出结构有序和形貌定型化的特点。
实施例5
①同实施例4的步骤①；
②室温下，将硝酸铈(9.04mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于180℃下保持14小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铈纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，CeO2所占的质量百分比为2.2％，Al2O3所占的质量百分比为2.8％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为76％。
图8是本实施例制备的整装结构化载体的X射线衍射(XRD)图。
实施例6
①将烧结的不锈钢纤维(直径40μm)裁剪成直径为16mm的圆片，称取3g并用浓度为6mol/L的盐酸水溶液浸泡处理，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(8.00mmol)和尿素(32mmol)溶于80mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的不锈钢纤维浸入其中，于160℃下保持6小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得在烧结的不锈钢纤维骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(9.04mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于160℃下保持16小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为1.6％，Al2O3所占的质量百分比为2.1％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为80％。
图9是本实施例制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；由图9可见：所制备的整装结构化基体呈现出结构有序和形貌定型化的特点。
实施例7
①同实施例6的步骤①；
②室温下，将硝酸铈(9.04mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于160℃下保持18小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铈纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，CeO2所占的质量百分比为1.9％，Al2O3所占的质量百分比为2.1％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为81％。
实施例8
①称取钛丝(直径为2.0mm)，用浓度为6mol/L的盐酸水溶液浸泡处理，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(8.00mmol)和尿素(32mmol)溶于80mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的钛丝浸入其中，于160℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于500℃焙烧2小时，制得在钛丝骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(18.08mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于180℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为1.9％，Al2O3所占的质量百分比为0.5％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为80％。
实施例9
①称取碳化硅纤维(直径为12μm)，用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠水溶液浸泡处理，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(8.00mmol)和尿素(32mmol)溶于80mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的碳化硅纤维浸入其中，于160℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得在碳化硅纤维骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(18.08mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于180℃下保持14小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为1.7％，Al2O3所占的质量百分比为1.6％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为92％。
图10是本实施例制备的整装结构化基体的扫描电镜(SEM)照片；由图10可见：所制备的整装结构化基体呈现出结构有序和形貌定型化的特点。
实施例10
①称取2.5g铜管(外径为3mm，壁厚为0.5mm)，用浓度为6mol/L盐酸水溶液室温浸泡，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(8.00mmol)和尿素(32mmol)溶于80mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的铜管浸入其中，于160℃下保持24小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于500℃焙烧2小时，制得在铜管骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(18.08mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于180℃下保持18小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为1.5％，Al2O3所占的质量百分比为1.4％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为92％。
实施例11
①称取0.5g泡沫白铜(孔度为80PPI)，并用浓度为6mol/L的盐酸水溶液浸泡处理，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(8.00mmol)和尿素(32mmol)溶于80mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的泡沫白铜浸入其中，于160℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于300℃焙烧2小时，制得在泡沫白铜骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(18.08mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于200℃下保持20小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为1.8％，Al2O3所占的质量百分比为1.4％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为90％。
实施例12
①称取0.5g铁铬铝纤维烧结毡，用浓度为6mol/L的盐酸水溶液浸泡处理，用去离子水洗净；将偏铝酸钠(8.00mmol)和尿素(32mmol)溶于80mL水中，再将所得溶液移入高压反应釜内，并将洗净的铁铬铝纤维浸入其中，于160℃下保持12小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再在空气氛中于500℃焙烧2小时，制得在铁铬铝纤维烧结毡骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
②室温下，将硝酸铁(18.08mmol)溶于80mL水中，在搅拌和超声共同作用下，将2.82g尿素加入混合水溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤①制得的整装结构化基体浸入其中，于200℃下保持16小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干；再在空气氛中于600℃焙烧2小时，制得生长有氧化铁纳米片层的整装结构化载体；
③室温下，将氯金酸溶于蒸馏水中，在搅拌作用下，按照尿素/金离子的摩尔比为100，将0.25g尿素加入氯金酸溶液中，再将所得混合溶液移入高压反应釜内，并将步骤②制得的整装结构化载体浸入其中，于90℃下保持5小时，冷却后取出，并用去离子水洗涤后烘干，再于300℃下焙烧4小时，即得到所述的整装结构化金催化剂。
经电感耦合等离子体原子发射光谱测定可知，本实施例所制备的整装结构化金催化剂中，Au所占的质量百分比为0.1％，Fe2O3所占的质量百分比为1.8％，Al2O3所占的质量百分比为1.4％。
经宏观测量可知：本实施例所制备的整装结构化金催化剂的孔隙率为90％。
对比例
参照发明专利(CN201410168177)中实施例10的制备方法，制备对比催化剂。
①称取10克烧结铝纤维片(直径为50μm)，用浓度为1％的氢氧化钠水溶液进行抽铝反应1小时，经蒸馏水冲洗、烘干后，在空气氛中、于300℃焙烧2小时，得到多孔化的锚附氧化物的金属相载体；
②称取步骤①制得的载体10克，用含0.01克Au的氯金酸与含0.2克Fe2O3的硝酸铁形成的混合水溶液在室温下进行等体积浸渍，烘干后，在空气氛中于300℃焙烧2小时，得到锚附Al2O3的烧结铝纤维载体上负载Au-Fe2O3的整装式催化剂。
经等离子电感耦合原子发射光谱测定得知：本对比例所制备的催化剂中，Au所占的质量百分比为0.12％，Fe2O3所占的质量百分比为1.9％，Al2O3所占的质量百分比为10％。
图11是本对比例制备的对比催化剂的扫描电镜(SEM)照片；由图11可见：所制备的对比催化剂呈无定型形貌。
应用例1
采用固定床反应器考察实施例1制备的整装结构化金催化剂在不同温度下对一氧化碳氧化反应的催化性能：反应原料是一氧化碳、氧气和氮气(摩尔比为1:4:16)；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、氧气和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为25.2L g-1h-1，不同反应温度下的转化率见表1所示。
对比应用例
采用固定床反应器考察对比例制备的对比催化剂在不同温度下对一氧化碳氧化反应的催化性能：反应原料是一氧化碳、氧气和氮气(摩尔比为1:4:16)；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、氧气和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为25.2L g-1h-1，不同反应温度下的转化率也见表1所示。
表1不同反应温度下实施例1和对比例1所制备的催化剂对一氧化碳氧化反应的催化性能
反应温度(℃) 实施例1催化剂的CO转化率(％) 对比例1催化剂的CO转化率(％)
0 14.3 0
15 34.2 0
25 100.0 30
50 100.0 51
100 100.0 76
150 100.0 80
由表1可见：采用本发明所制备的整装结构化金催化剂对一氧化碳氧化反应具有优异的催化性能，能实现CO的完全转化，且相同条件下，其催化性能明显优于CN201410168177中所述的整装式催化剂。
应用例2
采用固定床反应器考察实施例1制备的整装结构化金催化剂对一氧化碳氧化反应的催化性能的稳定性：反应原料是一氧化碳、氧气和氮气(摩尔比为1:4:16)；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、氧气和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为25.2L g-1h-1，在25℃下反应50小时及在200℃下继续反应150小时后的CO转化率结果见图12所示，由图12可见，本发明制备的整装结构化金催化剂对一氧化碳氧化反应的催化性能稳定。
应用例3
采用固定床反应器考察实施例1制备的整装结构化金催化剂在不同温度下对一氧化碳水汽变换反应的催化性能：反应原料是一氧化碳、水汽和氮气(体积比为1:8：11)，水汽由鼓泡法通入；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、水汽和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为24.0L g-1h-1，不同反应温度下的转化率见表2所示。
表2不同反应温度下实施例1制得的整装结构化金催化剂对一氧化碳水汽变换反应的催化性能
反应温度(℃) CO转化率(％)
100 0.0
150 1.3
200 2.0
250 6.0
300 17.0
350 25.6
由表2可见：采用本发明所制备的整装结构化金催化剂对一氧化碳的水汽变换反应也具有一定的催化性能，可用作一氧化碳的水汽变换反应的催化剂。
应用例4
采用固定床反应器考察实施例3制备的整装结构化金催化剂在不同温度下对一氧化碳氧化反应的催化性能：反应原料是一氧化碳、氧气和氮气(摩尔比为1:4:16)；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、氧气和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为25.2L g-1h-1，不同反应温度下的转化率见表3所示。
表3不同反应温度下实施例3制得的整装结构化金催化剂对一氧化碳氧化反应的催化性能
Figure BDA0001434028270000141
Figure BDA0001434028270000151
由表3可见：采用本发明所制备的整装结构化金催化剂对一氧化碳氧化反应具有优异的催化性能，能实现CO的完全转化，可用作一氧化碳氧化反应的催化剂。
应用例5
采用固定床反应器考察实施例3制备的整装结构化金催化剂在不同温度下对富氢气体中一氧化碳优先氧化反应的催化性能：反应原料是一氧化碳、氧气和氢气(摩尔比为1:1:75)；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、氧气和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为24.0L g-1h-1，不同反应温度下的转化率见表4所示。
表4实施例3制得的整装结构化金催化剂对富氢气体中的一氧化碳优先氧化反应的催化性能
反应温度(℃) CO转化率(％) CO<sub>2</sub>选择性(％)
50 15 45
75 65 37
100 67 35
125 73 39
150 70 38
由表4可见：采用本发明所制备的整装结构化金催化剂对富氢气体中的一氧化碳优先氧化反应具有较好的催化性能，结合表3和表4还可见，本发明制备的整装结构化金催化剂对空气氛中一氧化碳的催化氧化反应及富氢气体中一氧化碳优先氧化反应均具有较好的催化性能，由此可说明，本发明制备的整装结构化金催化剂可用作一氧化碳的氧化反应的催化剂。
应用例6
采用固定床反应器分别考察实施例2、实施例5、实施例7、实施例8及实施例10制备的整装结构化金催化剂在不同温度下对一氧化碳氧化反应的催化性能：反应原料是一氧化碳、氧气和氮气(摩尔比为1:4:16)；固定床反应器是一个内径为8mm的石英管；一氧化碳、氧气和氮气在进入反应管之前进行预混合，混合均匀后流经催化剂床层进行反应；反应产物经六通阀进入色谱，利用热导池检测器(TCD)进行分析；催化剂用量为3.0g，反应空速为25.2L g-1h-1，不同反应温度下的各催化剂的转化率见表5所示。
表5实施例2、5、7、8、10所制备的整装结构化金催化剂对一氧化碳氧化反应的催化性能
Figure BDA0001434028270000161
由表5可见：采用本发明所制备的整装结构化金催化剂均对一氧化碳的氧化反应具有优异的催化性能，可用作一氧化碳的氧化反应的催化剂。
最后需要在此指出的是：以上仅是本发明的部分优选实施例，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种制备具有低温催化CO氧化性能的整装结构化金催化剂的方法，所述的整装结构化金催化剂是一种在骨架基体上先锚附Al2O3纳米片形成整装结构化基体，再在该整装结构化基体上外延生长金属氧化物纳米片层使形成整装结构化载体，最后在该整装结构化载体上负载纳米金颗粒得到；在所述的整装结构化金催化剂中，纳米金颗粒所占的质量百分比为0.05～5.0％，金属氧化物所占的质量百分比为0.5～10％，余量为整装结构化基体；并且，所述整装结构化金催化剂的孔隙率为5～95％；其特征在于，所述方法包括如下具体步骤：
a)先在骨架基体上生长AlOOH或/和Al(OH)3纳米片，然后进行清洗、干燥和焙烧，制得在骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体；
b)将步骤a)制得的整装结构化基体浸没在由金属氧化物的前驱体与尿素形成的混合水溶液中，在高压反应釜内于80～200℃下保持10～24小时；然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～900℃下焙烧0.5～12小时，制得整装结构化载体；
c)将步骤b)制得的整装结构化载体浸没在由金前驱体与尿素形成的混合水溶液中，在高压反应釜内于50～150℃下保持1～10小时；然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在100～500℃下焙烧1～10小时，即得所述的整装结构化金催化剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述骨架基体的材质为镍、不锈钢、铝、钛、碳化硅、紫铜、白铜、黄铜、铁铬铝中的任意一种；所述骨架基体的形态结构选自泡沫、纤维、纤维毡、丝、丝网、片、箔、管中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属氧化物为碱土金属、镧系稀土金属、锰、铁、钴、铜、锌、铝、镓、铟、锡、钇、钛、锆、铌中的至少一种金属的氧化物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)制备整装结构化基体的方法如下：
①用酸或碱对铝质骨架基体进行表面清洁处理；
②将经表面清洁处理后的铝质骨架基体在100～200℃下用水蒸气处理1～40小时，然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～600℃下焙烧0.5～12小时，即得在铝质骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)制备整装结构化基体的方法如下：
①用酸或碱对铝质骨架基体进行表面清洁处理；
②将经表面清洁处理后的铝质骨架基体移入高压反应釜内并加水至其被完全浸没，然后在60～190℃下处理3～24小时，然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～600℃下焙烧0.5～12小时，即得在铝质骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)制备整装结构化基体的方法如下：
①用酸或碱对非铝质骨架基体进行表面清洁处理；
②将经表面清洁处理后的非铝质骨架基体浸没在由偏铝酸钠与尿素形成的混合水溶液中，在高压反应釜内于50～250℃下保持3～24小时；然后冷却、取出，进行清洗和干燥，再在300～900℃下焙烧0.5～12小时，即得在非铝质骨架基体上锚附有Al2O3纳米片的整装结构化基体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤b)中所述的金属氧化物的前驱体是指含有该金属离子的硝酸盐、硫酸盐、卤化物、草酸盐、乙酸盐、乙酰丙酮盐中的任意一种；步骤c)中所述的金前驱体为氯金酸、氯金酸钠、氯金酸铵、乙二胺氯化金中的任意一种。
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