新型水煤气变换反应催化剂研究进展

水煤气变换反应是氢气提纯的重要过程,是燃料电池供氢系统的重要组成部分。综述了近年来水煤气变换反应催化剂的研究进展,包括催化反应机理、可选择的催化剂体系及提升催化反应性能策略等。反应机理主要包括联合机理、氧化还原机理及重整机理,其中联合机理主要包括甲酸盐和羧酸路径。催化剂体系主要包括贵金属催化剂及过渡金属催化剂。此外,通过掺杂助剂及优化金属-载体相互作用等手段可实现高效的水煤气变换反应催化剂的设计开发。

Au负载催化剂应用于水煤气变换制氢反应的研究进展

水煤气变换反应是目前广泛应用于制氢的方法,应用于水煤气变换反应的催化剂成为了重要的研究热点.我们在简述传统水煤气变换催化剂的基础上,重点介绍了Au负载型催化剂应用于水煤气变换反应的相关文献,针对Au负载型催化剂的载体种类、制备方法以及催化剂活性机理做出了详细分析.强调了影响水煤气变换反应催化剂的重点参数及Au负载型催化剂的发展趋势,以便为提高催化剂催化活性、设计Au负载催化剂并应用在水煤气变换反应中的研究者提供必要的参考信息.

水煤气变换反应作用下的CO和CO_(2)混合物加氢转化制烃和醇--热力学平衡研究

受水煤气变换反应(或其逆反应)的干预,CO(或CO_(2))加氢反应制烃类或醇类化合物经常会遭遇较高的CO_(2)(或CO)选择性,而目标产物烃和醇的选择性往往较低,这使得对相关反应过程的评估显得非常混乱。为此,本工作对水煤气变换反应作用下的CO、CO_(2)及其混合物的加氢转化制烃(以乙烯为例)和醇(以甲醇为例)反应进行了详细的热力学研究。结果表明,对于CO(或CO_(2))加氢反应,水煤气变换(或逆水煤气变换)反应作为连接CO和CO_(2)的连通器,虽然会给CO(或CO_(2))的平衡转化率带来很大的改变并生成大量的CO_(2)(或CO),但其对目标醇和烃产物的碳基平衡收率影响相对较小。CO加氢反应的烃醇产物的碳基平衡收率比CO_(2)加氢反应的高,而CO和CO_(2)混合物加氢的烃醇产物的总碳基平衡收率位于两者之间。对于CO和CO_(2)混合物加氢,尽管CO或CO_(2)的平衡转化率随原料组成的不同有较大幅度的变化,但烃醇产物的总碳基平衡收率变化较为简单,即随着CO_(2)/(CO+CO_(2))摩尔比的增大而线形降低。鉴于CO或CO_(2)加氢过程的尾气均为CO和CO_(2)混合物,用CO和CO_(2)混合物加氢制烃醇或许更为有利;无论CO、CO_(2)还是其混合物的加氢过程,都应以目标产物的碳基总收率作为评估指标。

Axens、Paul Wurth和IFPEN公司共同开发逆向水煤气变换技术生产电子燃料

Axens公司、SMS集团子公司Paul Wurth公司和IFPEN公司签署了一项共同开发协议,以优化逆水煤气变换技术(RWGS),并将其整合到电子燃料项目中。RWGS技术是将二氧化碳转化为可再生/低碳燃料和化学中间体的一系列技术的重要组成部分。三家公司根据各自的专业背景、领域知识、行业经验开展合作。Axens公司是Gasel技术的授权方,Gasel技术是将合成气转化为液态碳氢化合物(如可持续航空燃料SAF)的高效费-托合成工艺。Axens公司将技术从中试放大到商业规模,并对技术组合进行集成和优化。

Au/Ce_(1-x)Zr_xO_2催化剂的制备、表征及其在CO氧化和水煤气变换反应中的催化性能

采用共沉淀法制备了不同锆铈摩尔比的Ce1-xZrxO2(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9和1.0)氧化物,并以改性的浸渍法制备了金担载量为1%(质量分数)的Au/Ce1-xZrxO2催化剂.考察了催化剂在低温CO氧化和水煤气变换反应中的催化性能.应用氮物理吸附、X射线衍射、透射电镜和H2程序升温还原等技术对氧化物载体及其负载金催化剂进行了表征,并与其催化性能进行了关联.结果表明,与纯CeO2和ZrO2相比,Ce1-xZrxO2的比表面积增大而孔径减小,孔分布更加集中.Zr的加入使表面Ce4+的还原更加困难,使体相Ce4+的还原更加容易.活性组分金的加入有利于铈锆氧化物的还原.ZrO2载体较大的孔径使金在载体表面分散均匀而粒子较小,因此与Au/CeO2和Au/Ce1-xZrxO2相比,Au/ZrO2具有更好的低温CO氧化活性和水煤气变换活性,而Au/CeZrO在高温下的水煤气变换反应中表现出更好的催化性能.

碱金属助剂对Au-Pt/CeO_2催化剂催化水煤气变换反应活性的影响

制备了碱金属M(M=Na,K,Rb和Cs)掺杂的Au-Pt/CeO2催化剂,考察了其催化水煤气变换反应的活性,并采用X射线衍射、H2程序升温还原、紫外-可见漫反射光谱和X射线光电子能谱技术研究了K助剂对Au-Pt/CeO2催化剂结构和表面性质的影响.结果表明,添加少量电负性较低的K虽然使Pt的还原变得困难,但有利于Au金属态的稳定,并使催化剂表面Ce3+富集而产生氧空位,显著提高了Au-Pt/CeO2催化剂活性.当K负载量为0.025%,反应温度250℃时,CO转化率可达95%.

沉淀温度对CuO/ZnO/Al_2O_3催化剂前驱体物相及催化水煤气变换反应活性的影响

用X射线衍射、差热热重测定、程序升温还原、N2 吸附、N2 O滴定和常压微反活性评价技术考察了沉淀温度对CuO/ZnO/Al2 O3 系催化剂及其前驱体的物相和催化水煤气变换反应活性的影响 .结果表明 ,在沉淀温度为 6 0～ 90℃时 ,催化剂前驱体中主要存在Cu2 CO3 (OH) 2 ,(Cu ,Zn) 2 CO3 (OH) 2 和 (Cu ,Zn) 6Al2 (OH) 16CO3 ·4H2 O三种物相 .焙烧后的催化剂样品中形成了较多的CuO ZnO固溶体 ,沉淀温度升高有利于CuO ZnO固溶体的形成及催化剂活性的提高 .水煤气变换反应是一个非结构敏感型反应 .

微乳法制备Au/Fe_2O_3水煤气变换反应催化剂Ⅰ.制备参数对催化剂活性的影响

分别在TritonX 10 0 /正己醇 /环己烷 /水和十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) /正己醇 /水的W /O型微乳液体系中合成了Au/Fe2 O3 催化剂 ,考察了主要制备参数对催化剂水煤气变换活性的影响 .结果表明 ,催化剂的焙烧温度、水与表面活性剂的质量比 (rw)、表面活性剂浓度 (W)、表面活性剂种类及催化剂活性组分金的负载量均对催化剂活性有显著的影响 .催化剂的最佳焙烧温度为 2 5 0℃ ,催化活性随着rw 和W的增加而降低 ,由TritonX 10 0制得的催化剂的活性高于由CTAB制得的催化剂 .当金负载量为 3% ,水煤气变换反应温度为 2 0 0℃时 ,CO的转化率可达 99 5 % .

金负载量对低温水煤气变换Auα-Fe_2O_3催化剂结构和性能的影响

采用共沉淀法制备了低温水煤气变换Au α Fe2O3催化剂。通过正交实验优化催化剂的还原活化条件,考察了金负载量对催化剂性能的影响。采用BET、XRD、UV VIS、XRF、H2 TPR和O2 TPO等表征手段对催化剂的结构进行分析,并与其催化性能进行关联。结果表明,(1)采用10% H2 N2还原气将催化剂在150℃原位还原9h,其催化活性最高;(2)金的最佳负载量为8 00%,此时在催化剂制备过程中金的流失量较少,金粒子较小,也有利于抑制催化剂在反应过程中烧结;(3)TPR TPO结果表明,金的负载量为8 00%时,Au α Fe2O3催化剂具有较易被还原、不易被氧化的性质,从而显示出最高催化活性。(4)Au α Fe2O3催化剂中的金以单质金(Au0)形式存在;其高活性与Au0 Fe3O4间的协同作用有关。

ZrO_2对Cu/CeO_2-ZrO_2水煤气变换催化剂结构、性能的影响

采用共沉淀法制备了系列Cu/CeO2-ZrO2水煤气变换(WGS)催化剂。用N2物理吸附、XRD和H2-TPR手段研究了ZrO2组分对催化剂的织构、物相、还原性能、热稳定性以及WGS反应活性的影响。结果表明,添加ZrO2组分均提高了催化剂的比表面积,且随ZrO2含量的增加,孔径逐渐向小孔集中,即大孔数量减少,小孔数量增加,最可几孔径移至1.9 nm左右,并逐渐增强。ZrO2的加入能有效地抑制CeO2晶粒的长大,同时适量的ZrO2可使铜铈基催化剂在WGS反应过程中保持较高的Cu分散度,从而使其具有较高的活性和稳定性。当催化剂中ZrO2含量为10%,反应温度为200℃时,WGS反应中CO的转化率达到73.7%。

纳米Li_2ZrO_3吸收剂原位移除CO_2强化水煤气变换反应制氢

采用浸渍法制备了在水煤气变换(WGS)反应中具有高催化活性的Ni/γ-Al2O3催化剂,使用柠檬酸法合成出高效CO2吸收剂Li2ZrO3纳米材料.在固定床微反应器上对WGS和吸附强化水煤气变换(SE-WGS)反应制氢过程进行了比较研究.前者只使用20%Ni/γ-Al2O3催化剂,而后者将20%Ni/γ-Al2O3催化剂与纳米Li2ZrO3吸收剂混合装填.结果表明,纳米Li2ZrO3具有比已报道的CO2吸收剂更快的吸收速率及优异的吸脱附循环稳定性,可应用于吸附强化过程,通过原位吸收WGS反应产生的CO2,使得反应超越化学平衡限制,直接制得高纯度H2.在823K,0.1MPa和H2O/CO=4的条件下,在SE-WGS过程一步制得纯度高于98%的H,验证了吸附强化反应进程制高纯氢的可行性.

钯/陶瓷中空纤维复合膜反应器中的水煤气变换反应

采用化学镀法制备了钯/陶瓷中空纤维复合膜,并将该膜反应器用于水煤气变换反应,考察了水碳摩尔比、反应温度及压力对反应的影响.结果表明,膜反应器中的CO转化率不仅可以超过固定床反应器中的转化率,在一定条件下还可以超过反应的平衡转化率.

制备参数对Au/Fe_2O_3催化剂水煤气变换性能的影响

采用共沉淀法制备了Au/Fe2 O3 催化剂 ,并系统地考察了制备参数对其催化WGS性能的影响 .通过BET ,XRD ,XRF ,H2 TPR和HRTEM等表征手段 ,初步考察了Au/Fe2 O3 催化剂具有高催化活性的原因 .结果表明 ,金负载量、沉淀剂种类、沉淀方式、沉淀 pH值、焙烧气氛和焙烧温度对Au/Fe2 O3 催化剂的催化性能均具有较大的影响 .Au/Fe2 O3 催化剂的低温高活性是纳米Au与Fe3 O4协同作用的结果 ;Au/Fe2 O3 催化剂的高温活性是由于活性相Fe3 O4起主要作用的结果 .

ZnO负载纳米金催化剂上的低温水煤气变换反应

系统考察了各种制备参数对ZnO负载的纳米金催化剂上低温水煤气变换反应性能的影响.结果表明,不同的制备方法、沉淀剂种类、焙烧温度及金负载量均对催化剂的催化性能有较大的影响.以Na2CO3为沉淀剂,采用共沉淀法,经240℃焙烧制备的金含量为5%的样品上表现出最佳的低温水煤气变换反应性能.X射线衍射、N2吸附和透射电镜测试结果表明,制备参数的变化会影响金物种的分散状态、载体的粒径或比表面积的大小,从而影响催化剂的催化活性.适量氯离子的存在对催化剂活性也有明显的促进作用.

钴钼基水煤气变换催化剂及其催化反应工艺

介绍了国内外CO变换催化剂的发展及其在不同变换工艺中的应用,阐述了Co-M o基催化剂的催化机理与硫化方法。通过综合分析中温变换、中温变换串联低温变换、中温变换串联两段低温变换和全程低温变换4种代表性的工艺流程,提出了高效节能型的全程低温变换工艺将是变换技术的发展方向,开发适应全程低温变换工艺的高活性和高稳定性的Co-M o基变换催化剂及其预硫化技术是今后的主要研究目标。

含La耐硫水煤气变换催化剂的研究

CoMoK/Al_2O_3耐硫水煤气变换催化剂中加入La_2O_3后其活性与含量和处理温度有关。含有0.5—1.0％La_2O_3的催化剂和载体经600℃处理活性和耐热性最高。在500℃进行强化反应后La助化的催化剂活性下降～50％,而无La的下降～70％。以H_2S/H_2重新处理减活后的催化剂可以使活性逐渐恢复,但含La的比不含La的恢复得快。由催化剂的硫化过程和程序升温还原及吡啶吸附实验未能发现两种催化剂有明显的区别。XPS测定结果发现La助化的催化剂在反应时,其Mo可以保持较好的分散和较少形成Mo^(6+),而Mo^(6+)对反应是无活性的。

不同金属催化水煤气变换反应活性的DFT研究

采用密度泛函理论(DFT)对水煤气变换反应中的CO分子在M (10 0 ) (M代表Cu、Ag、Au、Pd和Pt)表面上的吸附行为和吸附在金属表面上的H2 O分子的解离过程进行了研究。计算结果表明,CO在金属表面吸附后,C─O键长均在0 .114 3～0 .116 0nm (气相为0 .112 8nm)内,C─O键都不同程度地伸长了,表明它们削弱了C─O键,活化了CO分子。在对C─O键长、表面结合能(EB)、电子集居数等的分析中得到各表面对CO的吸附强度以Pd(10 0 )、Pt(10 0 )、Cu(10 0 )、Ag(10 0 )、Au(10 0 )顺序减弱;同时将此表面结合能、d电子转移数分别与水煤气变换反应的活性数据进行了关联,说明铜具有最好的活化性能。通过对水分子在不同金属表面上的解离过程的活化能研究发现,各表面对应的能量势垒以Au(10 0 )、Pt(10 0 )、Ag(10 0 )、Pd(10 0 )、Cu(10 0 )顺序下降,从而进一步解释了金属铜的催化活性优于其它金属催化剂的原因,此结论与实验结果相符。

铜物种对Cu/Fe_2O_3水煤气变换反应催化剂性能的影响

采用共沉淀法制备了系列铜负载量不同的Cu/Fe2O3水煤气变换(WGS)催化剂,并考察了铜负载量对催化剂结构和水煤气变换反应性能的影响.结果表明,Cu/Fe2O3催化剂呈现出良好的水煤气反应性能,当CuO质量分数为20%时,催化剂的WGS性能最优,250°C时CO转化率高达97.2%,同时热稳定性也最好.运用X射线粉末衍射(XRD)、N2物理吸脱附和H2程序升温还原(H2-TPR)等手段对Cu/Fe2O3催化剂的物相、织构特征及还原性能进行了表征,结果表明,CuFe2O4物种的存在极大地改善了催化剂的还原性能和WGS反应活性.这是由于CuFe2O4特殊的尖晶石结构有利于Cu微晶的稳定;同时,CuFe2O4在低温下即被还原为单质铜,有利于促进催化剂体系中电子的转移.此外,通过(NH4)2CO3溶液处理,研究了独立相CuO对Cu/Fe2O3催化剂WGS反应性能的影响,结果发现,独立相CuO的存在,有利于H原子在各组分传递,从而促进催化剂的CuFe2O4的还原,改善Cu/Fe2O3催化剂的WGS反应性能.

Y修饰CuO/ZrO_2催化剂高效催化水煤气变换反应制氢

采用水热法制备了具有不同Y掺杂量的单分散ZrO_2纳米粒子(n(Y)/n(Y+Zr)=0-5%),并以其为载体采用沉积-沉淀法制得CuO/ZrO_2催化剂;考察了富氢气氛下上述催化剂的水煤气变换反应(WGS)催化性能。结果表明,掺杂Y后催化剂的活性明显提高,其中,载体掺杂2%Y的催化剂具有最佳的催化活性,在270℃时的CO转化率高达91.4%,明显高于研究较多的CuO/ZnO和CuO/CeO_2催化剂。X射线粉末衍射、N_2物理吸附-脱附、N_2O滴定、扫描电镜和CO程序升温还原等表征结果表明,Y^(3+)掺入了ZrO_2的晶格并对催化剂的结构和还原性能产生直接影响。Y助剂的引入一方面促进了CuO在ZrO_2表面的分散,提高了催化剂表面活性Cu-[O]-Zr物种的含量;另一方面,改善了催化剂的颗粒单分散性和织构性能。载体掺杂2%Y助剂的样品具有较高的Cu-[O]-Zr物种含量、较佳的颗粒单分散性和织构性能,且其表面的Cu-[O]-Zr物种和活性羟基具有较佳的还原性能。

以水热法合成的ZrO_2负载Au催化剂上的低温水煤气变换反应

采用一种简便的水热法合成了一系列ZrO2,并采用沉积-沉淀法制得相应1.0%Au/ZrO2催化剂,在模拟甲醇重整气气氛下评价了它们的低温水煤气变换(WGS)反应催化性能.结果发现,于150oC水热合成的ZrO2负载的Au催化剂活性最佳,240oC反应时CO转化率达87%,明显高于相同反应条件下Au负载量较高的Au/Fe2O3,Au/CeO2及Au/CeZrO4催化剂.采用X射线衍射、原子吸收光谱、N2物理吸脱附及扫描电子显微镜等手段对样品进行了表征.结果表明,Au/ZrO2催化剂的总孔体积及平均孔径越大、圆形片状形貌越规整,其低温WGS催化活性就越高.