CN114260016A - 一种将Pd/ZnFexAl2-xO4催化剂用于甲醇重整制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将Pd/ZnFexAl2‑xO4催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,属于甲醇制氢领域。该方法包括以下步骤:1)将锌盐、掺杂金属离子盐和铝盐加入到异丙醇中进行水热反应制得ZnMxAl2‑xO4尖晶石载体;2)通过浸渍法或溶胶凝胶法等方法将贵金属Pd盐负载到ZnMxAl2‑xO4载体上;3)将PdZn/ZnMxAl2‑xO4催化剂在H2气氛中进行还原处理;4)将H2处理过的催化剂加入到甲醇水溶液中进行制氢反应,反应温度为150~300℃,反应压力为常压。结果表明:采用Pd含量较低(小于0.5wt%)的Pd/ZnFexAl2‑xO4催化剂即可实现甲醇重整制氢,且副产物CO的选择性与其它Pd含量高(>5%)的传统PdZn/ZnO、PdZn/ZnO/Al2O3基催化剂相一致,这样可极大节约生产成本,极具经济效益。此外,本发明的制氢方法还具有操作简单,可实现便携式制氢等优点。

Description

一种将Pd/ZnFexAl2-xO4催化剂用于甲醇重整制氢的方法
技术领域
本发明属于甲醇制氢领域,具体涉及一种将Pd/ZnFexAl2-xO4催化剂用于甲醇重整制氢的方法。
背景技术
氢燃料由于其高能量密度和低排放等优势被认为是解决日益严重的能源危机和环境污染的新一代清洁能源[1-4]。氢气可广泛应用于化工、冶金和电力等行业,还看用作还原气体、原料气体和燃料电池燃料等。特别是在燃料电池中的应用,近些年来受到越来越多的关注[5-8]。燃料电池具有能量转化效率高、排放低等优点,在交通运输及固定式发电等行业极具应用前景,也是目前学术界和产业界的研究热点和发展方向之一。作为燃料电池的一种能量载体,氢的热值高,反应速度快,并且水是它燃烧的唯一产物,非常清洁高效。然而,不同于其它燃料,氢气不能直接在自然界中获取。当前氢气制取方法主要有工业化制氢、副产氢气以及太阳能制氢系统等方法[9]。在我们所研究的工业化制氢法中又可以细分为煤的焦化和汽化制氢、烃醇类重整制氢以及电解水制氢等;其中烃醇类的重整制氢是当前工业上制氢的主要方法[10-11]。烃类主要以甲烷蒸汽重整为主,该工艺较为复杂,需要对甲烷进行脱硫、重整、水汽变换和甲烷脱除等步骤,存在能耗大,排放多等问题。相比之下醇类蒸汽重整,如甲醇重整制氢在相对较温和的条件下即可原位产氢,在解决了能耗高等问题的同时,也成功解决了氢气在提取和运输等方面存在的问题[12-15]。实际上,利用液体燃料作为氢载体是氢运输和储氢的有效选择方式之一,而甲醇由于其较温和的反应条件通常被认为是一种很有前途的液体燃料制氢载体。与其它的醇类相比,甲醇是最简单的醇类原料,它只含有一个碳原子,作为反应原料不涉及C-C键的解离,可以显著的减少反应副产物的数量。此外,甲醇还具有可与水混溶,常温下为液态,易运输,碳氢比例高等优点。甲醇重整制氢反应(MSR)在较低的温度下即可进行(200-350℃),而其它醇类重整制氢,如乙醇重整的温度通常在400-500℃,甘油重整的温度则在500℃以上[16-18]。目前MSR的催化剂主要为Cu基催化剂,虽然Cu基催化剂在具有高CO2以及高经济效益等优点,但是Cu自身存在固有缺陷,如易自燃以及高温易失活等缺点。PdZn基催化剂不仅具有类铜的反应特性,还具备优异的化学和热稳定性,可适用于诸多反应领域,比如逆水汽反应、甲醇部分氧化、甲醇蒸气重整、一氧化碳/二氧化碳加氢反应等。
参考文献:
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发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处,本发明目的在于提供一种将PdZn/ZnFexAl2- xO4催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种将Pd/ZnMxAl2-xO4催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,包括如下步骤:
1)将锌盐、掺杂金属离子盐和铝盐加入到异丙醇中进行水热反应,将所得固体焙烧后制得金属离子掺杂的ZnMxAl2-xO4尖晶石载体,其中,x=0.05-0.2,掺杂金属离子M为Fe,Co,Ni,Cu或Mn中的一种;
2)通过浸渍法或溶胶凝胶法等方法将贵金属Pd盐负载到步骤1)中制得的金属离子掺杂的ZnMxAl2-xO4载体上,所得固体经干燥和焙烧后制得PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂;
3)将步骤2)中制得的PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂在H2气氛中进行还原处理;
4)将步骤3)中制得的H2处理过的PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂加入到甲醇水溶液中进行制氢反应,反应温度为150~300℃,反应压力为常压。
优选地,步骤1)中所述的锌盐为硝酸锌,硫酸锌,醋酸锌或氯化锌中的一种;所述的掺杂金属离子盐为硝酸铁,氯化铁,硫酸铁,醋酸铁,硝酸钴,氯化钴,硫酸钴,醋酸钴,硝酸镍,氯化镍,硫酸镍,醋酸镍,硝酸锰,氯化锰,醋酸锰或硫酸锰中的一种。
优选地,步骤1)中所述的水热反应为在180-200℃下水热6-10h;所述的焙烧条件为在600-800℃下焙烧4-6h。
优选地,步骤2)中所述的PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂中Pd的质量分数为0.1~0.5%,PdZn合金以β相存在。
优选地,步骤2)中所述的贵金属Pd盐为硝酸钯或醋酸钯中的一种。
优选地,步骤3)中所述的H2气氛中进行还原处理的温度为350-500℃,时间为1-3h。
优选地,步骤4)中所述的甲醇水溶液中甲醇和水的摩尔比为1:1.0~1:1.5。
本发明的设计原理如下:
本发明首先通过水热反应制得金属离子掺杂的ZnMxAl2-xO4尖晶石载体,然后将含贵金属Pd的前驱体溶液负载到ZnFexAl2-xO4上制备得到PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂;所制备的催化剂在用于催化甲醇蒸汽重整制氢反应前需经过H2还原,还原温度在300-400℃。对PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂进行XRD和TEM表征,结果表明其活性成分PdZn合金以β相存在;催化甲醇蒸汽重整制氢的实验研究结果表明在PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂中Pd含量越低,贵金属的利用率就越高,当Pd含量低至0.1wt%时,产物CO2和H2的选择性仍能达到较高水平,并且平均反应速率和贵金属Pd的利用率处于最优水平。
在锌铝尖晶石合成的时候掺杂第三种金属(例如三价铁离子),可以在PdZn合金的界面上形成第二个活性位来促进水的活化,这样可以提高甲醇重整制氢的效率。
本发明以具有高比表面积和高稳定性的ZnAl2O4尖晶石为基础,在其基础上引入新的活性金属氧化物来替代体相中的Al,从而构建新型的改性尖晶石载体。尖晶石一般结构为AB2O4,其中A2+占据尖晶石的四面体位点八分之一,B3+占据八面体位点的二分之一。研究表明,并不是所有的物质均可以替代Al留在尖晶石体相中,替代Al需要具备以下两个条件:首先要有相同的原子半径,其次要能够在八面体位点稳定存在。本发明以ZnFexAl2-xO4为载体时,在低Pd负载量下即可有效形成PdZn合金,不仅考察了贵金属和载体间的相互作用,还探究了不同Pd负载量在其表面形成PdZn合金的规律,并从原子层面设计和构建多功能密切协同的PdZn复合催化体系。
本发明的制备方法具有以下有益效果:
1)采用Pd含量较低(0.1wt%)的PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂即可实现高效甲醇重整制氢,且副产物CO的选择性较低,这样可极大节约制氢的经济成本。
2)本发明所提供的制氢方法简单,可实现便携式制氢。
附图说明
图1为载体和催化剂的XRD谱图;其中,a为不同Fe掺杂量的载体的XRD谱图;b为催化剂反应前后的XRD谱图。
图2为还原态的2.5wt.%PdZn/ZnFexAl2-xO4(x=0.05-0.2)催化剂的TEM图;其中:a为Fe掺杂量为0.05wt%催化剂的TEM图,b为Fe掺杂量为0.1wt%催化剂的TEM图,c为Fe掺杂量为0.2wt%催化剂的TEM图。
具体实施方式
下面进一步结合附图和实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,示例中具体的质量、反应时间和温度、工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例,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。实施例中未注明具体技术或条件者,均为按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市场购买的常规产品。
催化剂的XRD分析表征采用的是RIGAKU理学公司的型号为Ultima-IV的多晶X射线粉末衍射仪进行,以Cu Kɑ(λ=0.15406nm)为X射线的辐射源,测试条件为扫描速度10°/min,测试角度范围为10°-90°,光管电压为40kV,管电流为30mA。
催化剂的TEM表征是在JEOL JEM 2100F场发射透射电子显微镜上进行。测试前取少量样品分散在无水乙醇中,超声30min,然后将溶液滴于铜网上,晾干后备用。
实施例1
Pd质量分数为0.1wt.%的PdZn/ZnFe0.05Al1.95O4催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的具体方法如下:
1)将5.95g硝酸锌、0.4g硝酸铁和13.5g三氯化铝加入到100ml异丙醇中在180℃下水热反应10h,将所得固体在800℃焙烧4h后制得金属铁离子掺杂的ZnFe0.05Al1.95O4尖晶石载体;
2)取0.0025g Pd(NO3)2·2H2O前驱体于5mL样品管中,并用体积比1:3的硝酸水溶液(0.4mL)将其溶解制得Pd(NO3)2溶液;然后称取1g ZnFe0.05Al1.95O4载体至100mL烧杯中,室温下将其等量浸渍至Pd(NO3)2溶液中,过滤后将所得固体放置于100℃的烘箱中干燥一夜,最后将干燥后的固体在400℃下焙烧3h即可制备得到Pd的质量分数为0.1wt.%的PdZn/ZnFe0.05Al1.95O4催化剂;
3)将步骤2)中制得的Pd的质量分数为0.1wt.%的PdZn/ZnFe0.05Al1.95O4催化剂在H2气氛中进行还原处理,还原条件为:以H2为还原气,还原温度为350℃,还原时间为3h;
4)将0.3g步骤3)中制得的H2处理过的Pd的质量分数为0.1wt.%的PdZnFe0.05Al1.95O4催化剂加入到甲醇水溶液中进行制氢反应:反应压力为常压,反应温度为250℃,甲醇水溶液中水和甲醇按摩尔比为1.1:1,甲醇水溶液的质量空速为10h-1,反应结果见表1;甲醇转化率为23.9%,而副产物CO选择性则为2.8%。
实施例2
Pd质量分数为0.1wt.%的PdZn/ZnFe0.1Al1.9O4催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的具体方法参考实施例1,不同之处在于:步骤1)中硝酸铁的用量变为0.8g;其余步骤均同实施例1;反应结果见表1:甲醇转化率为36.25%,而副产物CO选择性则为2.38%。
实施例3
Pd质量分数为0.1wt.%的PdZn/ZnFe0.2Al1.8O4催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的具体方法参考实施例1,不同之处在于:步骤1)中硝酸铁的用量变为1.6g;其余步骤均同实施例1;反应结果见表1:甲醇转化率为25.67%,而副产物CO选择性则为2.17%。
实施例4
Pd质量分数为0.5wt.%的PdZn/ZnFe0.1Al1.9O4的催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的具体方法参考实施例2,不同之处在于:步骤2)中Pd(NO3)2·2H2O的用量变为0.0125g;其余步骤均同实施例2;反应结果见表1:甲醇转化率为88.5%,而副产物CO选择性则为1.4%。
实施例5
Pd质量分数为1.0wt.%的PdZn/ZnFe0.1Al1.9O4的催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的具体方法参考实施例2,不同之处在于:步骤2)中Pd(NO3)2·2H2O的用量变为0.025g;其余步骤均同实施例2;反应结果见表1:甲醇转化率为97.5%,而副产物CO选择性则为2.1%。
实施例6
Pd质量分数为2.5wt.%的PdZn/ZnFe0.1Al1.9O4的催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的具体方法参考实施例2,不同之处在于:步骤2)中Pd(NO3)2·2H2O的用量变为0.0625g;其余步骤均同实施例2;反应结果见表1:甲醇转化率为100%,而副产物CO选择性则为3.2%。
表1.实施例1~6甲醇蒸汽重整制氢结果
Figure BDA0003434987100000071
反应条件:催化剂量:300mg,载气N2:30ml/min。
如表1所示为PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂催化甲醇蒸汽重整制氢的结果:由实施例1-3可以发现催化剂的催化性能随着Fe含量的变化呈现明显的变化,Fe的掺杂量在0.1的时候展现出最优的催化性能。从实施例4-6中可以看到:从低Pd到高Pd含量,PdZn/ZnFe0.1Al1.9O4催化剂均有一个较高的CO2选择性,并且活性随着Pd的负载量的提高逐渐提升。
对所制备的催化剂进行表征,XRD表征谱图如图1所示,其中,图1a为不同Fe掺杂量的载体的XRD谱图;从图1a中可以看出:Fe的加入并没有改变尖晶石的衍射峰,说明Fe成功的进入尖晶石体相代替Al,Fe掺杂后的尖晶石的峰相比于ZnAl2O4尖晶石发生了偏移,并且随着Fe掺杂量的增加,尖晶石的衍射峰逐渐向ZnFe2O4偏移。此外,为了探究改性前后催化剂的稳定性是否与预期的相似,还分别对焙烧后的催化剂(2.5Pd-ZnFe0.1Al1.9O4-Cal)、还原后的催化剂(2.5Pd-ZnFe0.1Al1.9O4-Re)以及反应后的催化剂(2.5Pd-ZnFe0.1Al1.9O4-Spent)进行了XRD表征,结果如图1b所示:催化剂经过350℃还原后能够稳定的存在,不会发生分解;此外,可以明显的看到在衍射角2θ为41.2°处出现了衍射峰,通过标准PDF卡片(PDF#65-9523)比对,该峰对应的是β相的PdZn合金的(111)晶面;从图1b中还可以看出反应后的催化剂不管是载体还是PdZn合金相均没有发生明显变化,这说明改性后催化剂的稳定性有了很大的提高,这有利于反应的催化性能的改善。
还原态的2.5wt.%PdZn/ZnFexAl2-xO4(x=0.05-0.2)TEM结果如图2a~2c所示:根据所得的衍射斑点图,可以测得不同样品中分别存在晶格间距为0.219nm和0.205nm的晶格条纹,其分别对应的是PdZn合金的(111)和(200)晶面(PDF#06-0620),这更直接的验证了在载体表面能够很好的形成PdZn合金。

Claims (7)

1.一种将Pd/ZnMxAl2-xO4催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于包括如下步骤:
1)将锌盐、掺杂金属离子盐和铝盐加入到异丙醇中进行水热反应,将所得固体焙烧后制得金属离子掺杂的ZnMxAl2-xO4尖晶石载体,其中,x=0.05-0.2,掺杂金属离子M为Fe,Co,Ni,Cu或Mn中的一种;
2)通过浸渍法或溶胶凝胶法等方法将贵金属Pd盐负载到步骤1)中制得的金属离子掺杂的ZnMxAl2-xO4载体上,所得固体经干燥和焙烧后制得PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂;
3)将步骤2)中制得的PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂在H2气氛中进行还原处理;
4)将步骤3)中制得的H2处理过的PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂加入到甲醇水溶液中进行制氢反应,反应温度为150~300℃,反应压力为常压。
2.根据权利要求1所述的将PdZn/ZnMxAl2-xO催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于步骤1)中所述的锌盐为硝酸锌,硫酸锌,醋酸锌或氯化锌中的一种;所述的掺杂金属离子盐为硝酸铁,氯化铁,硫酸铁,醋酸铁,硝酸钴,氯化钴,硫酸钴,醋酸钴,硝酸镍,氯化镍,硫酸镍,醋酸镍,硝酸锰,氯化锰,醋酸锰或硫酸锰中的一种。
3.根据权利要求1所述的将PdZn/ZnMxAl2-xO催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于步骤1)中所述的水热反应为在180-200℃下水热6-10h;所述的焙烧条件为在600-800℃下焙烧4-6h。
4.根据权利要求1所述的将PdZn/ZnMxAl2-xO催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于步骤2)中所述的PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂中Pd的质量分数为0.1~0.5%,PdZn合金以β相存在。
5.根据权利要求1所述的将PdZn/ZnMxAl2-xO催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于步骤2)中所述的贵金属Pd盐为硝酸钯或醋酸钯中的一种。
6.根据权利要求1所述的将PdZn/ZnMxAl2-xO4催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于步骤3)中所述的H2气氛中进行还原处理的温度为350-500℃,时间为1-3h。
7.根据权利要求1所述的将PdZn/ZnFexAl2-xO4催化剂用于甲醇蒸汽重整制氢的方法,其特征在于步骤4)中所述的甲醇水溶液中甲醇和水的摩尔比为1:1.0~1:1.5。
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