TWI320000B

TWI320000B - Preparation of mangania-titania -supported nano-gold catalysts and its application in preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen stream

Info

Publication number: TWI320000B
Application number: TW095123468A
Authority: TW
Inventors: Yu Wen Chen; Li Shin Chung
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2010-02-01
Also published as: TW200800385A

Description

1320000 98. 1. 爷月八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： w%Au/MnO/TiO2 (Mn/Ti=x/100-x)為本發明製備之觸媒冰為觸媒〇%Αυ/ΜηΟ/Π〇2)中之金佔全部觸媒重量之百分率 (Mn/Ti=x/l〇〇-x)為觸媒中錳與鈦的莫耳數比玖、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係有關承載於氧化猛及氧化鈦之金觸媒方法，及一氧化碳在奈米金承載於氧化猛一氧化鈦之觸媒催化下，在富含氫氣環境境下，與氧氣反應生成二氧化碳之製程，以去除氫氣流中之一氧化碳，此製程可用於去除燃料電池中氫氣所含的-氧化碳至餘1(K)ppm，卿免毒化織電池的電極，本發明亦可應用於去除風氣槽中的一氧化碳以提高純度。【先前技術】

目前新能源的開發以及有效_存是未來的研究重點，燃料電池能將化學能毅率的為魏，錢方便_存能量，正符合這項需求。在眾多燃料電池_射大致可依操作溫度分_，高溫麵料電池(操作溫度高於65(TC)及低溫型燃料電池_溫度低於25〇。〇兩種，但受限於安全及大小的考量，低溫型_較常見。但由於她_魏中的電轉常容易被 -氧化碳所毒化，例如：酸3只能容忍2〇/〇_氧化碳的存在，職更是只能存在幾個ppm的-氧化碳’砂何獲得乾㈣氫氣切、，就絲燃料電池 4

1320000 的研究中最重要的課題。㈣電池巾所使㈣氫氣’可贱種方絲，其中甲狀水氣的重 '組反應（steamref0麵）是目前最經濟的氫氣來源，但缺點是需要-連串純 •化氫氣的轉’另外也有_其他錢化合物的贿，或者是不會產生 COx田I!產物的4氣裂解反應生成氫氣。在重組反應中，甲烧及水氣的重組必定會生成副產物-氧化碳’而—氧化碳是降低電極效能的主因，故必須經過籲一連_移除一氧化碳的反應，才可將氫氣導入PEM中；在-連串的反應中，首先利用南，皿的水氣與一氧化碳氧化反應（water撕血丘react〇rs, wgss ) 操作在350〜550°C，常使用氧化鐵/氧化鉻的混和觸媒，可將一氧化碳濃度降到3% ;接下來經過低溫的WGS反應，使用氧化銅/氧化鋅/氧化鋁作為觸媒將一氧化碳濃度再降到0.5% ’其溫度為2〇〇〜3〇〇°C ;最後進入選擇性氧化反應 (preferential oxidation reactor，PROX)將一氧化碳減至幾個ppm。鲁選擇性一氧化碳氧化反應是目前最能有效移除一氧化碳方法之一，早期常用於此類反應的觸媒，通常都同時具有高度的一氧化碳氧化能力及氫氣的氧化能力，最被廣泛使用的莫過於是白金觸媒；但是白金觸媒的反應活性雖好’卻也使得氫氣的氧化量也跟著增加，所以隨著溫度的升高一氧化碳轉化率就會下降，選擇率也隨之降低。另外在〇h及Sinketvitch等人的論文中提到 [J.Catal.第142卷（1993)第245頁起]，應用Ru、Rh、Pd等金屬觸媒應用在這個反應上’其一氧化碳轉化率如同白金觸媒一般，隨著溫度升高而遞減。 5

1320000 -氧化碳轉化率遞減的情況在各麵媒中，分別為Ru/Al2〇3>Rh/Al2〇3> P_〇3> ?豪2〇3 (同樣在〇.5〇/。的金屬含量下）。Matralis#人的文獻中比較 '5wt%Pt/^Al2C>3'2_9wt%Au/(^Fe2C^C：uCK：e02三種不同觸媒，在反應溫度 .25〜250匚間1>11〇：^反應的情況[Catal.Today第75卷(2002)第157至167頁]，發現金觸媒適合在ioo°c以下進行反應，銅觸媒則適合100〜20(rc ,白金觸媒則是在200°〔:有100%的-氧化雜化率’並且魏反絲體_二氧化碳的存在 ® 會降低一氧化碳的轉化率，尤其是金觸媒更為明顯。相較於白金觸媒，金觸媒不但此在低於100C下具有很高的活性，是其他貴金屬觸媒所不能比擬的，並且金的原料也比白金便宜且價格穩定許多，其操作溫度也較適合低溫型燃料電池，不用另行加溫。國内現有的專利有關金觸媒專利大部分都在一氧化碳氧化上的應用，並 /又有在氫氣環境下進行選擇性一氧化碳氧化反應，並且並無使用氧化猛—氧 • 化鈦混合性氧化物作為擔體，在loot以下進行反應；國内目前有關金觸媒應用專糊於表—。由已公開專财，未有如本發明所揭示_奈米金承載於氧化錳及氧化鈦觸媒應用在選擇性一氧化碳氧化的方法。在外國專利方面，應用在選擇性一氧化碳氧化反應之觸媒，大多以鉑、釕、铑及這幾類的合金為主，而本發明與這些比較後優點在於金的價格較為便宜’且明顯可在溫度低於10(rc下操作，仍然具有高活性。以下列舉近年專利，日本專利JP2004-338981 (2004/12/02)揭示一種氫氣純化裝置與操作方 6 1320000 .月；法及一氧化碳選擇性氧化觸媒之負載在氧化物擔體如氧化铭上之Pt、Rh或Pt-Rh合金’能在200〜350 C下將含氫重組氣中之c〇選擇性移 - 除，但在較高溫的環境下反應。曰本專利JP2004-284920 (2004/10/14)揭示一種選擇性軋化反應裝置及使用該裝置移除一氧化碳的方法，使用一種含二觸媒段之選擇性氧化反應器將含氫重組氣體中之C〇移除，所用之觸媒為負載在金屬氧化物擔體如氧化鋁或氧化矽上之Pt^Ru觸媒。美國專利US6787li8 • (2004/09/07)揭示一種自氫氣流中選擇性移除一氧化碳的方法，使用之觸媒為負載在以共沉澱法製得之含鈽及其他金屬如鍅、鐵、猛、銅等混合氧化物上之Pt' Pd及Au觸媒。美國專利US6780386(2004/08/24)揭示一種一氧化碳氧化觸媒及製造含氫氣體的方法，以負載在氧化鈦及氧化鋁上之Ru為觸媒，將富氣氣體中之010濃度由〇.6%降至約1〇卩口111。日本專利用2〇〇4-223415 (2004/08/12)揭示選擇性氧化一氧化碳之觸媒及燃料系統中降低一氧化碳濃 φ 度之方法，實施例中以負載在氧化鋁上之Ru為觸媒，於149〜205°C下能將富風氣體中之〇〇濃度由6〇〇〇0口111降至1〇9口111以下。美國專利|^6673742 (2004/01/06)與US6409939(2002/01/25)揭示製造一種優先氧化觸媒及製造富氫燃料氣流的方法’製得之0.5〜3%Ru/A12〇3觸媒在7〇〜130°C溫度下能選擇性氧化富氫進料中之一氧化碳(〇.47〇/0)，出料氣中之c〇濃度可降至5〇ppm。美國專利US6559094(2003/05/06)揭示一用於選擇性氧化一氧化碳之催化材料的製備方法，典型使用的觸媒為5%Pt_〇.3%Fe/Al2〇3。美國專利us65311〇6 7

1320000 (2003/03/11)揭示一種選擇性移除一氧化碳的方法，將汽、、ru、处或紅等貴金屬負載在結晶石夕酸鹽上為觸媒，於實施例中處理含〇 C〇、24% C〇2、20% H2〇、0.6% 〇2、54.8% Hz之氣體，不同溫度下多數能將co濃度降 • 至50ppm以下。曰本專利JP2003-104703(2003/04/09)揭示降低一氧化碳的方法及燃料電池系統，實施例中製備Ru-Pt/Al2〇3觸媒，能將含氫重組氣體中之 CO濃度由6000ppm降至4ppm。美國專利uS6287529(2001/09/ll)與 • US5874041 (1999/02/23)揭示選擇性催化氧化一氧化碳的裝置和方法，該裝置為夕又式CO氧化反應器，以負載在Al2〇3或滞石上之pt或Ru為觸媒，能將富氫氣流中之CO降至40 ppm以下。日本專利jP2〇〇〇_i69i〇7 (2000/06/20)揭示降低一氧化碳製造含氫氣體的方法，實施例中製備負載在氧化鈦及氧化鋁擔體上之含鹼金屬或鹼土金屬之RU觸媒，於6〇〜16〇。〇範圍能將含氫氣體中之 CO濃度由0.6%降至50ppm以下。歐洲專利EP0955351 (1999/11/10)與曰本專 • 利JP11310402(1999/09/11)揭示一氧化碳濃度降低裝置及一氧化碳選擇性氧化觸媒的製造方法，該觸媒為以不同比例負載在八丨2^上之p^〇Ru，朽和 Ru的比例會改變選擇性氧化反應的溫度。美國專利US525834〇 (1993/u/〇2) 揭示一種用於低溫轉化一氧化碳之混合過渡金屬氧化物觸媒的製造方法，以順序沉澱法(sequential precipitation method)製得内層含氧化鈷’外層含其他金屬如鐵、鎳、銅、鋅、鉬、鎢或錫之氧化物的層狀金屬氧化物，此層狀金屬氧化物也可擔載在二氧化矽擔體上，最後將貴金屬如金、鉑、鈀、錄或其混 8 1320000 合物負載至層狀金屬氧化物上，1^氧化c〇,實施·ι〇中顯示T50(c〇轉化率達50%所需之溫度)隨觸·成而日本專利腿2〇17〇2(麵08/10)揭示選擇性移除一氧化碳之方法及裝置，以Ru/AIA及Rh/AIA為觸媒，於⑽它以下能將含氫氣體中之⑺濃度降至 0.01%以下。細目前有關選擇性一氧化碳氡化之應用專利列於表二。

表一國内相關專利檢索公告號公告日專利名稱 1 200410754 2004/07/01 奈米金觸媒及其製備方法 2 00222233 1994/04/11 一氧化碳氧化之金觸媒的製備方法表二國外相關專利檢索

No. Patent No. Date Title 1 JP2004- 338981 2004/12/02 Hydrogen purifying apparatus, its operation method, and manufacturing method of carbon monoxide selective oxidation catalyst 2 JP2004- 284920 2004/10/14 Selective oxidation reaction device, and method for removing carbon monoxide using the same 3 US6787118 2004/09/07 Selective removal of carbon monoxide 4 JP2004- 223415 2004/08/12 Catalyst for selective oxidation of carbon monoxide, method for decreasing carbon monoxide concentration, and fuel cell system 5 US6780386 2004/08/24 Carbon monoxide oxidation catalyst, and method for production of hydrogen-containing gas 6 US6673742 2004/01/06 Method for producing a preferential oxidation catalyst 7 US6559094 2003/05/06 Method for preparation of catalytic material for selective oxidation and catalyst members 9 1320000 6日修正 ___充| thereof 8 JP2003- 104703 2003/04/09 Method for lowering carbon monoxide concentration and fuel cell system 9 US6531106 2003/03/11 Selective removing method of carbon monoxide 10 US6409939 2002/01/25 Method for producing a hydrogen-rich fuel stream 11 US6287529 2001/09/11 Method for selective catalytic oxidation of carbon monoxide 12 JP2000- 169107 2000/06/20 Production of hydrogen-containing gas reduced in carbon monoxide 13 US6168772 2001/01/02 Process for the selective oxidation of carbon monoxide in reformed gases 14 EP0955351 1999/11/10 Carbon monoxide concentration reducing apparatus and method, and production method for carbon monoxide-selective oxidation catalyst 15 — US5271916 1993/12/21 Device for staged carbon monoxide oxidation 16 US5258340 1993/11/02 Mixed transition metal oxide catalysts for conversion of carbon monoxide and method for producing the catalysts 17 1----- JP05201702 1993/08/10 Method and apparatus for selectively removing carbon monoxide 【發明内容】本發明揭示一種製備承載於氧化錳及氧化鈦之金觸媒方法，及一種一氧化碳在奈米金承載於氧化猛氧化鈦之觸媒催化下，在富含氫氣環境下，與氧氣反應生成二氧化碳之製程；其中氧化鈦及氧化錳係依不同元素比例混合’承載之金顆粒小於5奈米。本發明以含有金/氧化錳及氧化鈦觸媒在一氧化石反、氧氣、氫氣及氦氣存在下’使用連續式填充床反應器，用以選擇性氧化一氧化碳’本發明可應用於去除燃料電池的燃料中的一氧化碳至低於 10

【實施方式】實施方式1 : 以含浸法製備錳鈦混合氧化物8克，作為負載金的擔體，其製法如下步驟1至2，再將金_沉積沉殿的方法，負載在上述製備完成之擔體氧化物上，其詳細步驟如下步驟3至8，即可完，其中w為1，X為2之觸媒； 1. 製作錳/鈦比為2/98的氧化物擔體，稱取硝酸猛. 4H2〇) 〇 377 克(分子量25卜購自Aldrieh公司），將其以3毫升雜水溶解； 2. 稱取6.735克二氧化鈦（分子量8〇 ’購自Deg職公司），將步驟一之水溶液慢慢滴入其中並攪拌’在空氣令3〇(rc椴燒4小時，即生成灰色二氧化猛一二氧化鈦粉末，並取出研磨； 3. 稱取步驟2粉末2.475克放入150毫升蒸德水中，以磁石擾拌之，並加熱至65°C，並維持之； 4. 稱取四氯金酸〇 048克(購自strem Chemicals公司），將其溶解於5〇毫升蒸餾水’其中金佔0.025克； 5_以0.1M氨水將步驟3之溶液酸鹼值控制在6±〇 2，再將四氣金酸溶液以每分鐘ίο毫升的速率滴入此溶液中，並同時控制鹼值在6±〇.2，溫度維持 65°C ;

1320000 6.㈤定完成後以磁石擾拌混合兩小時，維持酸驗值在6±〇 2，溫度机，使其反應完全； ' 7·將得到的沈澱物過滤，並以賊之_水水洗多次，直觀全除去氯離 . 子，再於80°C烘乾12小時； 8·將烘乾後的觸媒在18(TC於空氣中燒4小時，即生成深紫色1%

Au/Mn02—Ti02粉末，錳/鈦莫耳數比為2/98 ; • 9.將觸媒0.10克的1 wt%域崎™2，鐘/鈦莫耳數比為謂的粉末置於直立式填充床反應器内，進行在富氫環境下選擇性氧化一氧化碳的反應’以固定床反應器進行實驗’管内外直徑為12公分及〇 6公分長度 57公分，中間有〇.7公分之融熔叾英砂，以擔載反應之觸媒，但可以透氣，另外在反應管内有-内外直徑為0.6公分及0 4公分之底部密封玻璃管，是為了放置測量觸媒表面溫度的熱電偶溫度計； % 10.將進料氣體含一氧化碳/氧氣/氫氣/氦氣體積比為1.33/1.33/65.33/32之混纟氣體以質量醇控制脸纖流4騎分鐘5G毫升，在室溫下通入反應器中，反應氣體產物以氣象層析儀（中國層析型號9800)分析之，使用3.5公尺Molecular sieve 5A不銹鋼管柱； 11·反應器溫度由圓奇狀電偶加熱爐控制，其加熱爐外層長度約17公分直徑11公分’内部鋪有4公分玻璃纖維之保溫設備，反應器溫度以每分鐘 2度由攝氏25度升咼，並分別在35、50、65、80、100度平衡10分鐘， 12

1320000 並在平衡5分鐘時取樣。 • f施方式2 : -同實施方式1，唯將步驟1之猛/鈦原子比改為4/96，稱取硝_(Mn(N〇3)2. 胡2〇 )〇·925克(分子量25 i，購自Aldrich公司），步驟2之二氧化鈦稱取7 〇75 克（分子篁80 ’購自Degussa公司）。耋施方式3 : 鲁同實施方式b唯將步驟1之錳/鈦原子比改為13/87,稱取硝酸錳(Μη(Ν03)2. 你2〇)2.553克(分子量⑸，購自Aldrich公司），步驟2之二氧化欽稱取$447 克（分子里’構自Degussa公司）〇 f施方式4 : 同實施方式卜唯將步驟5及步驟6之酸驗值改為5±〇 2。 f施方式5 : • 同實施方式1，唯將步驟5及步驟6之酸鹼值改為9±0.2。實施方式6 : 製做2%Au/MnCVTiO2粉末’錳/鈦莫耳數比為謂，同實施方式丨，唯將步驟3之粉末克數改為2.45克，步驟4之四氣金酸稱取〇〇96克(購自strem Chemicals公司）’其中金佔0 05克。實施方式7 : 製做3%Αυ/ΜηΟ/ϋ〇2粉末’锰/鈦原子比為2/98，同實施方式丨，唯將步驟 13

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Strem 3之粉末克數改為2 425克，步驟4之四氣金酸稱取〇 m克(講自

Chemicals公司），其中金佔0.075克。上述實施方式之反應結果如下；其中一氧化碳轉化率及選擇率定義如下：一氧化碳轉化率=(進口一氧化碳濃度一出口一氧化碳濃度）+進口一氧化碳濃度；-氧化碳選擇率=-氧化碳氧化消耗氧氣量+(一氧化碳消耗氧氣量+ 氣氣氡化消耗氧氣量）由這些結果證實本發明之觸媒能有效去除氣體中之一氧化碳。

表三各項實施方法中的反應結果實施方擔體合成條件 •反應溫度一氧化碳一氧化碳式金含量選擇率酸鹼值錳/鈦比 (0〇轉化率(％) (%) (%) 1 1 6 2/98 25 94 31 1 ------ 1 6 2/98 35 92 43 1 ----- 1 6 2/98 50 94 68 1 1 6 2/98 65 69 91 1 1 6 2/98 80 51 98 1 1 6 2/98 100 47 93 2 1 6 4/96 25 92 17 2 ---- 1 6 4/96 35 100 18 2 1 6 4/96 50 88 36 2 1 6 4/96 65 77 81 2 ------ 1 6 4/96 80 62 84 2 1 6 4/96 100 46 91 1320000

9R i. _6 修正’ 年月曰/ I補充I 表三（續）各項實施方法中的反應結果實施方_ 式擔體合成條件反應溫度 rc) 一氧化碳選擇率 (%) 一氧化碳轉化率(％) 金含量 (%) 酸驗值猛/欽比 3 1 6 13/87 25 93 11 3 1 6 13/87 35 89 12 3 1 6 13/87 50 100 33 3 1 6 13/87 65 65 44 3 1 6 13/87 80 64 57 3 1 6 13/87 100 58 74 表三（續）各項實施方法中的反應結果擔體合成條件一氧化碳實施方反應溫度一氧化碳金含量選擇率式酸驗值猛/鈦比 rc) 轉化率(％) (%) (%) 6 1 5 2/98 25 21 2 6 1 5 2/98 35 34 4 6 1 5 2/98 50 47 8 6 1 5 2/98 65 53 14 6 1 5 2/98 80 56 27 6 1 5 2/98 100 51 45 15 1320000

7 1 9 2/98 25 46 59 7 1 9 2/98 35 61 89 7 1 9 2/98 50 56 97 7 1 9 2/98 65 50 99 7 1 9 2/98 80 48 96 7 1 9 2/98 100 45 90 8 2 6 2/98 25 79 99 8 2 6 2/98 35 67 99 8 2 6 2/98 50 52 99 8 2 6 2/98 65 50 99 8 2 6 2/98 80 48 95 8 2 6 2/98 100 43 85 9 3 6 2/98 25 59 100 9 3 6 2/98 35 50 100 9 3 6 2/98 50 50 100 9 3 6 2/98 65 49 97 9 3 6 2/98 80 45 89 9 3 6 2/98 100 40 78

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Claims

,1320000 拾、申請專利範圍： — 1. -種用於在富氫環境下選擇性—氧化碳氡化之觸媒，包括：一種混錢傭錄化鈦的，岭浸崎備之氧祕及氧化鈦混合氧化物，猛/鈦莫爾比例介於1/99至丽之間；及負載在擔體表面之奈米金顆粒。 2· —種製作承載於氧化錳及氧化鈦之金觸媒的方法，其包括：以含浸法製備之氧化财氧化鈦混合氧化物，其特徵是將硝酸猛溶液與二氧化鈦混合後，於3G()t^ 5⑻。C間减2至M、時，再以_沉殿法將四氣金酸與其氧化物放在水中，以氨水控制酸驗值在5至9間及維持溫度在50至9(TC之間並持續攪拌，維持丨至1〇小時後，以7〇t：蒸餾水洗，8〇它烘乾12小時，在12〇。〇至2〇〇。〇煅燒2至10小時。 3. 如申請專利範圍第2項的方法，其令以含浸法製備之氧化鐘及氧化欽混合氧化物，錳鈦混合比例有1/99至13/87之間。 4. 如申請專利範圍第2項的方法，其令以沉積沉澱法製備之奈米金觸媒，酸驗值為6至9之間。 .如申請專利範圍第2項的方法，其中以沉積沉澱法製備之奈米金觸媒，溫度維持在50至90。(：之間。 . 6·—種去除氣體中含有一氧化碳的方法，其係以含有奈米金承載於氧化錳及氧化鈦觸媒，以含浸法製備之氧化猛及氧化鈦混合氧化物，猛/鈦莫爾 17 1320000 比例介於1/99至13/87之間，在含有氫氣存在的反應氣體下，於2〇1至 20(TC間反應，使一氧化碳氧化成二氧化碳，其中反應氣體有氧氣、一氧化碳、氫氣及氦氣，其令氧/—氧化碳莫爾比為0.5至3之間。 7·中月專利|&圍第6項的方法，其中含有奈求金承載於氧化猛及氧化欽之觸媒中，射金《百分岐介於1%至3%。 8. 如申清專利範圍第6馆沾士、、、’，、巾反應氣體巾—氧化碳與氧氣的比值最佳是1至2間。 9. 如申請專概_6項的方法，其中最佳操作溫度介㈣域之間。 18