CN112234216A - 一种用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体氧化物燃料电池和催化剂技术领域，公开了一种用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂及其制备方法和应用，该催化剂为Cu‑Ag/Al2O3，是将AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O溶于去离子水中，加入(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷混合均匀并超声；再将所得混合物在120～180℃进行水热反应，经洗涤和干燥，将所得固体在400～600℃退火，然后将所得物在500～700℃的H2气氛下充分还原制得。本发明催化剂具有良好的催化重整活性、抗积碳性能和持久的寿命，可用于甲醇重整直接放入微型燃料电池管中，增大催化剂的反应比表面，缩小了电池堆的体积，降低功率单元质量。
Description
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池和催化剂技术领域，更具体地，涉及一种用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前，主要通过使用石油，天然气和煤炭等化石燃料来满足世界能源需求。但这些燃料的燃烧不仅会产生大量的温室气体，还会对环境造成严重污染和影响，例如，全球变暖，极端天气状况等。此外，化石燃料的储备正在迅速耗尽。因此，各国科学家一直致力于研发能利用的清洁和可再生能源的新材料和新技术，而用于燃料电池内的氢气和高效、低成本的获取氢气是该技术的重中之重。
氢被认为是最有前途的可再生清洁能源之一，由于它每单位燃烧的热值很高，仅产生水。燃料电池可以将氢能直接转化为电能，具有很高的能量转化效率。但氢气的存储和运输又是一个困难的问题，且加氢站是一个非常昂贵的基础设施。甲醇的蒸汽重整具有反应温度低和高效的氢气产量等优点。其中由于铜基催化剂的低成本，高催化活性以及选择性而常用于甲醇蒸汽重整中。但铜微小颗粒的热烧结是阻碍反应过程中催化剂稳定性的主要原因。为解决此问题，目前常用通过一系列高分散和小粒径的Cu来提高其抗烧结性的方法。这些方法较为繁杂，使用的催化剂载体制备较为困难且生产成本高。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂。该催化剂能更好解决目前催化剂存在的铜微小颗粒易烧结和催化剂寿命的技术问题。
本发明的另一目的在于提供上述泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，所述泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂为Cu-Ag/Al2O3，是将AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O溶于去离子水中，加入(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷混合均匀并超声，得到混合物；再将混合物在120～180℃进行水热反应，经洗涤和干燥，将所得固体在400～600℃退火，然后将所得物在500～700℃的H2气氛下充分还原制得。
优选地，所述Cu(NO3)2·3H2O、AgNO3和(NH2)2CO的质量比为(1～9)：(0.1～2)：(1～13)。
优选地，所述AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O的总量与离子水的质量比为1：(10～100)；
优选地，所述(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷的质量比为(1～3)：(3～8)。
优选地，所述Al2O3泡沫陶瓷为球状，其粒径为0.25～3mm。
优选地，所述催化剂Cu-Ag/Al2O3为球状，所述催化剂的半径为0.25～3mm。
所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.将AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O溶于去离子水中，然后加入(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷混合均匀并超声，得到混合物；
S2.将混合物在120～180℃进行水热反应，经洗涤和干燥，将所得固体在400～600℃退火，制得负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷；
S3.然后将负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷在500～700℃的H2气氛下充分还原，得到Cu-Ag/Al2O3，即为泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂。
优选地，步骤S2中所述退火的时间为1～2h。
优选地，步骤S3中所述还原的时间为1～3h。
所述的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂在甲醇重整领域中的应用。
所述的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂在燃料电池中的应用。将该催化剂直接放进燃料电池里，就可以将催化剂重整的氢气直接供给燃料电池。
本发明的重整反应原理：
A.甲醇水蒸气重整CH3OH(g)→CO+2H2
B.甲醇水蒸汽重整CH3OH(g)+H2O→CO2+3H2
C.水气转化反应CO+H2O(g)→CO2+H2
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明用水热法制备的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，其表面负载的Cu-Ag纳米粒子更加均匀且牢固地分布在多孔泡沫陶瓷上。
2.本发明的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂具有很高的活性，用于常见的甲醇为燃料的重整，具有良好的催化重整活性、抗积碳性能和持久的寿命，可以直接作为商业化制氢气的催化剂。
3.本发明的Cu-Ag/Al2O3催化剂可以直接放入微型燃料电池管中，增大催化剂的反应比表面，缩小了电池堆的体积，降低功率单元质量，能更好解决目前催化剂存在的铜微小颗粒易烧结和催化剂寿命的技术问题。
4.本发明的Cu-Ag/Al2O3催化剂用于甲醇重整时在200～300℃时甲醇的转化率为90～100％。
附图说明
图1为实施例1中球状多孔的泡沫陶瓷的扫描电镜图；
图2为实施例1中球状多孔的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的扫描电镜图；
图3为实施例1中负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷的XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.将1.014g的Cu(NO3)2·3H2O和0.122g的AgNO3溶于62mL去离子水中，搅拌至充分解，后加入1.246g分散剂(NH2)2CO，搅拌均匀后再加入5.4979g球状Al2O3多孔泡沫陶瓷颗粒(半径为0.25～3mm)，磁力搅拌20min混合均匀，再超声处理30min，得到混合物；
2.将混合物放入100ml的高压反应釜中，在130℃进行水热处理，保温12h，然后降温至室温后，开启反应釜，取出后用去离子水和无水乙醇洗涤，洗涤后在60℃的干燥箱内干燥4h，所得固体倒入坩埚放置在马弗炉内，以5℃/min升温至600℃，保温2h，再降温到室温，制得负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷；
3.将负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷在管式炉中通入氢气在700℃充分还原2h，制得Cu-Ag/Al2O3，即为球状的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂。
将上述所得球状的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂约2g左右加入燃料电池中，甲醇重整反应在200～300℃时，在重整反应发生10h后，多次用两个串联的色谱仪检测冷凝物和尾气的成分，存在少量水和CO、CO2、CH4和H2(含量分别平均为0.2704％、30.994％、0.0296％和68.7％)。计算得出的甲醇的转化率为90～100％。
图1为本实施例的球状多孔的泡沫陶瓷的扫描电镜(SEM)照片。从图1中可以看出，泡沫陶瓷呈现块状且多孔的结构，能为纳米活性金属Cu和Ag提供更大的负载面积。图2为本实施例的球状多孔泡沫陶瓷负载纳米Cu-Ag金属催化剂的扫描电镜(SEM)照片，从图2中可知，纳米Cu-Ag金属的粒径约为250nm，分布在球状多孔的泡沫Al2O3陶瓷上。图3为本实施例中负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷的XRD图。从图3中可以看出，未经还原前Al2O3泡沫陶瓷上负载Cu氧化物和Ag氧化物。
实施例2
1.将1.036g的Cu(NO3)2·3H2O和0.145g的AgNO3溶于62mL去离子水中，搅拌至充分解，后加入1.359g的(NH2)2CO分散剂，搅拌均匀后再加入5.5125g球状多孔泡沫Al2O3陶瓷颗粒(半径为0.25～3mm)，磁力搅拌20min混合均匀，再超声处理30min，得到混合物；
2.将混合物放入100mL的高压反应釜中，120℃进行水热处理，保温12h，然后降温至室温后，开启反应釜，取出后用去离子水和无水乙醇洗涤，在60℃的干燥箱内干燥4h，制得附着含有Ag和Cu离子的固体样品；
3.将固体样品倒入坩埚放置在马弗炉内，以5℃/min升温至600℃，保温2h，再降温到室温，取出样品。然后管式炉中通入氢气在700℃中充分还原2h，制得Cu-Ag/Al2O3，即为球状多孔泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂。
实施例3
1.将1.002g的Cu(NO3)2·3H2O和0.134g的AgNO3溶于62mL去离子水中，搅拌至充分解，后加入1.303g的(NH2)2CO分散剂，搅拌均匀后再加入5.5020g球状多孔泡沫Al2O3陶瓷颗粒(半径为0.25～3mm)，磁力搅拌20min混合均匀，再超声处理30min，得到混合物；
2.将混合物放入100ml的高压反应釜中，在140℃进行水热处理，保温12h，然后降温至室温后，开启反应釜，取出后用去离子水和无水乙醇洗涤，在60℃的干燥箱内干燥4h，制得附着含有Ag和Cu离子的固体样品；
3.将固体样品倒入坩埚放置在马弗炉内，以5℃/min升温至600℃，保温2h，再降温到室温，取出样品，在管式炉中通入氢气在700℃充分还原2h，制得Cu-Ag/Al2O3，即为球状多孔泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，其特征在于，所述泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂为Cu-Ag/Al2O3，是将AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O溶于去离子水中，加入(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷混合均匀并超声，得到混合物；再将上述混合物在120～180℃进行水热反应，经洗涤和干燥，将所得固体在400～600℃退火，然后将所得物在500～700℃的H2气氛下充分还原制得。
2.根据权利要求1所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，其特征在于，所述Cu(NO3)2·3H2O、AgNO3和(NH2)2CO的质量比为(1～9)：(0.1～2)：(1～13)。
3.根据权利要求1所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，其特征在于，所述AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O的总量与离子水的质量比为1：(10～100)，所述(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷的质量比为(1～3)：(3～8)。
4.根据权利要求1所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，其特征在于，所述Al2O3泡沫陶瓷为球状，其粒径为0.5～6mm。
5.根据权利要求1所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂，其特征在于，所述催化剂Cu-Ag/Al2O3为球状，所述催化剂的半径为0.25～3mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将AgNO3和Cu(NO3)2·3H2O溶于去离子水中，然后加入(NH2)2CO和Al2O3泡沫陶瓷混合均匀并超声，得到混合物；
S2.将混合物在120～180℃进行水热反应，经洗涤和干燥，将所得固体在400～600℃退火，制得负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷；
S3.然后将负载Cu氧化物和Ag氧化物的Al2O3泡沫陶瓷在500～700℃的H2气氛下充分还原，得到Cu-Ag/Al2O3，即为泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂。
7.根据权利要求6所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述退火的时间为1～2h。
8.根据权利要求6所述的用于甲醇重整的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述还原的时间为1～3h。
9.权利要求1-5任一项所述的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂在甲醇重整领域中的应用。
10.权利要求1-5任一项所述的泡沫陶瓷负载纳米金属催化剂在燃料电池中的应用。
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Citations (8)
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|---|---|---|---|---|
| JPH07265704A (ja) * | 1994-03-29 | 1995-10-17 | Takeshi Masumoto | メタノールの水蒸気改質用触媒の製造方法 |
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2020
- 2020-09-08 CN CN202010936409.XA patent/CN112234216A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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