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.

Cu-Pt-Au三元合金催化水煤气变换反应的密度泛函研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了不同掺杂量的Cu-Pt-Au催化剂性质及水煤气变换反应(WGSR)在催化剂表面上的反应机理。首先对Cu-Au和Pt-Au二元催化剂的稳定性和电子活性进行研究,发现Pt-Au催化剂的协同效应较优,稳定性更优,结合能为77.15eV,d带中心为-3.18eV。当将Cu继续掺杂到Pt-Au合金中构成Cu-Pt-Au三元催化剂时,Cu3-Pt3-Au(111)结合能为77.99eV,且d带中心为-3.05eV,表明其具有较优的稳定性和电子活性。探讨了WGSR在Cu3-Pt3-Au(111)上的反应历程,氧化还原机理因CO氧化的能垒达到4.84eV而不易进行。CHO和COOH两个中间体为竞争关系,且形成CHO中间物时的能垒较小,因此,反应相对容易按照甲酸机理进行。

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%.

二氧化铈还原表面上水煤气变换反应机理

采用原位红外、程序升温脱附、脉冲表面反应技术研究了ＣｅＯ２还原表面在中温变换反应条件下表面物种的生成及脱附，并根据研究结果归纳出水煤气变换反应机理．

Cu催化水煤气的变换反应机理

采用密度泛函理论(DFT),对Cu催化水煤气变换反应三种可能的微观机理进行了理论研究.在GGA-PW91理论水平下优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型,并通过频率分析对过渡态进行了验证.研究结果表明,甲酸根机理的可能性最小,羧基机理与氧化还原机理的可能性较大,且与氧化还原机理相比,羧基机理因在反应过程中有中间体COOH(s)生成,且它与OH(s)发生歧化反应仅需越过3.8kJ·mol-1的活化能垒,所以反应更易遵循这条路径进行.

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.

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.

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.

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 .

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。

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.

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。

Cu(111)、Ni(111)和Pd(111)催化水煤气变换反应活性的反应能学分析

分别采用单晶 Ni(1 1 1 )、Cu(1 1 1 )和 Pd(1 1 1 )作为水煤气变换反应的模板催化剂 ,运用键级守恒 -Morse势(BOC-MP)方法对 Ni(1 1 1 )、Cu(1 1 1 )和 Pd(1 1 1 )表面上催化的 WGS反应的 surface redox机理中的基元反应动力学参数进行了计算 .通过微观动力学参数的比较分析 ,发现 Cu(1 1 1 )比 Ni(1 1 1 )、Pd(1 1 1 )具有更加优良的催化水煤气变换反应的能力 (活性顺序为 Cu>Ni>Pd) 。

改性沉积-沉淀法制备Au/Fe_2O_3水煤气变换反应催化剂

采用共沉淀法、沉积-沉淀法和改性沉积-沉淀法制备了Au/Fe2O3催化剂,运用N2吸附、X射线衍射、X射线光电子能谱和透射电镜等技术对其进行了表征,考察了制备方法对Au/Fe2O3催化剂水煤气变换反应催化活性的影响.结果表明,改性沉积-沉淀法制备的催化剂具有最好的催化活性,150℃时CO转化率达82.3%.该催化剂比表面积较大,金粒子尺寸（3-5nm）较小且分布均匀.载体氧化铁以无定形态和结晶态共存,金与载体间存在较强的相互作用,这对催化剂活性的提高起着重要作用.

不同金属催化水煤气变换反应活性的Monte Carlo模拟研究

运用BOC一MP方法对Cu(110),Cu(111),Pd(111)Au(111)等过渡金属催化的WGS反应的可能微观动力学步骤进行了详尽的能学数据计算,并结合Monte Carlo方法对WGS反应的表面氧化还原机理进行了计算机模拟.结果表明,Cu的催化活性优于Pd,Au的催化活性,并获得了相应金属上WGS反应的表观活化能及动力学指前因子(相对值);在此基础上,对该反应的结构敏感性进行了研究,发现该反应为一结构敏感反应,与实验结果相符.

催化水煤气变换反应的计算模拟进展

综述了对具有广泛工业应用的水煤气变换(WGS)反应进行理论模拟所取得的进展,重点讨论反应机理方面获得的成果。对于传统的铜锌、铁铬和钴钼等非均相催化剂而言,羧基机理和氧化还原机理占统治地位,而助剂和载体对反应机理也有影响,有时甚至直接参与反应过程。对改进型、新型催化剂如金或负载金等催化WGS反应机理的认识过程尚未结束。对铁族羰基络合均相催化WGS反应机理的理解逐步深入。理论模拟研究将从少数简单的WGS模型体系扩展到更多复杂的真实体系;在预言新的催化体系反应机理上,与实验研究相比,有望体现出费用低和非常便利的优势,并能为催化剂的设计提供理论依据和成功案例。

铁系高温变换催化剂上水煤气变换反应本征动力学的研究

采用活塞流管式积分反应器,在1.0MPa压力下,对环境友好铁系无铬NBC 1型高温变换催化剂上变换反应本征动力学数据进行了测试。根据测定得到的数据,对幂函数动力学模型进行了模型参数估计和模型检验,得到了高度显著的动力学回归方程。从动力学方程可以得出:该高温变换催化剂上变换反应活化能比较低,因此其低温活性较好;该催化剂上H2O组分对反应速率的影响比较大;CO2对变换反应速率的抑制作用很大,因此为提高变换反应速率,应当设法减小CO2的不利影响;H2组分对反应速率的影响很小,在实际应用过程中,可以忽略。

Cu/ZnO催化剂上逆向水煤气变换反应反应机理的MonteCarlo模拟

采用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法模拟了ＣＯ２在Ｃｕ／ＺｎＯ催化剂上的解离反应，发现在ＣＯ２的解离过程中只有ＣＯ生成；若用Ｈ２对生成的表面吸附氧进行还原，所生成的Ｈ２Ｏ量与前期生成的ＣＯ量相同，说明在Ｃｕ／ＺｎＯ上ＣＯ２和Ｈ２之间发生了化学计量的氧化还原反应，即逆向水煤气反应可能以表面氧化还原反应机理进行。此外，通过比较模拟与实验结果，推断在本实验条件下，氢在ＺｎＯ上发生溢流。

一步法合成二甲醚反应中水煤气变换反应的初步研究

在反应温度为260℃、压力5.0MPa的条件下,研究了固定床反应器中不同CO空速和CO/H2O比例在甲醇合成催化剂上进行水煤气变换反应的情况,并对催化剂的稳定性进行了考察。研究结果发现,CO空速升高和CO/H2O比例减小都能抑制副反应的发生,Cu基催化剂水煤气变换功能减弱速率快是导致二甲醚复合催化剂失活快的主要原因。