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用于水煤氣變換反應(yīng)的大孔Pt/TiO_2和Pt/CeO_2催化劑的研究

來源:論文學(xué)術(shù)網(wǎng)
時間:2024-08-18 22:02:19
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用于水煤氣變換反應(yīng)的大孔Pt/TiO_2和Pt/CeO_2催化劑的研究【摘要】:燃料電池被認(rèn)為是未來重要的能源設(shè)施,因此作為針對燃料電池制氫的重要反應(yīng)—水煤氣變換反應(yīng)(WGSR)又

【摘要】: 燃料電池被認(rèn)為是未來重要的能源設(shè)施,因此作為針對燃料電池制氫的重要反應(yīng)—水煤氣變換反應(yīng)(WGSR)又成為了研究熱點(diǎn)。水煤氣變換反應(yīng)是富氫燃料氣體處理、凈化過程的重要組成部分,不僅可將重整尾氣中10~16%CO的濃度降低到1%以下,而且可以將這部分CO轉(zhuǎn)化成H_2,進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的效率。負(fù)載型Pt基催化劑是最具應(yīng)用潛力的一種新型水煤氣變換催化劑,引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。其中Pt/TiO_2和Pt/CeO_2催化劑具有活性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),頗具研究價值。 針對燃料電池制氫需要解決的核心問題是小型化,變換反應(yīng)器的體積約占碳?xì)浠衔镏卣茪湎到y(tǒng)體積的三分之二,所以變換反應(yīng)器的小型化至關(guān)重要。本工作探索變換反應(yīng)器小型化的新途徑,研究其中的核心技術(shù)。本文采用兩種模板法分別制備大孔Pt基催化劑和整體式Pt基催化劑,以XRD、TPR、HRTEM、SEM、TG等表征方法對所制備的催化材料進(jìn)行表征,研究了催化劑性能和結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。主要結(jié)果如下: 三維有序大孔(3DOM) Pt/TiO_2催化劑在3%CO, 10%H_2O, 87%N_2的氣氛中在180~360℃溫度區(qū)間具有很高的活性,在60,000mL×g~(-1)×h~(-1)空速下在250℃時達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率,與相同組成的顆粒和介孔催化劑相比,大孔3DOM Pt/TiO_2催化劑表現(xiàn)出更好的催化性能;Pt/TiO_2催化劑反應(yīng)過程中的活性組分是金屬Pt納米粒子;Pt粒子燒結(jié)是Pt/TiO_2催化劑失活的原因;王水處理后催化劑的單位表面金屬Pt上的CO轉(zhuǎn)化率升高,在Pt/TiO_2催化劑上的WGSR是個對金屬鉑結(jié)構(gòu)敏感的反應(yīng);通過TPR和HRTEM知道助劑CeO_2通過改變載體與活性組分之間的相互作用來提高催化劑活性。3DOM是實現(xiàn)小型化的途徑。 采用反相濃乳液法以聚苯乙烯為模板制備了大孔-整體式Pt/CeO_2/Al_2O_3催化劑。通過SEM可以看到孔徑在5~50μm的不規(guī)則大孔,孔徑大小可以通過改變分散相體積分?jǐn)?shù)和表面活性劑數(shù)量來改變。在模擬重整氣條件下的性能測試結(jié)果顯示,在低溫區(qū)(180~300℃)單位體積單位時間大孔-整體式Pt/CeO_2/Al_2O_3催化劑上CO的轉(zhuǎn)化量顯著高于催化劑上CO轉(zhuǎn)化量。通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)整體式催化劑在低溫區(qū)(180~300℃)具有體積小、活性高的特點(diǎn)。將催化劑研制為大孔結(jié)構(gòu)-整體式是實現(xiàn)WGSR反應(yīng)器體積小型化的很有前景的途徑。 【關(guān)鍵詞】:水煤氣變換 大孔 整體式 模板 Pt TiO_2 CeO_2
【學(xué)位授予單位】:天津大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2009
【分類號】:O643.36
【目錄】:
  • 中文摘要3-4
  • ABSTRACT4-10
  • 第一章 緒論10-37
  • 1.1 水煤氣變換反應(yīng)(Water-Gas Shift Reaction)研究進(jìn)展11-24
  • 1.1.1 變換反應(yīng)催化劑概述11-23
  • 1.1.1.1 鐵鉻系高溫變換催化劑11-12
  • 1.1.1.2 銅鋅系低溫變換催化劑12
  • 1.1.1.3 鈷鉬系寬溫耐硫變換催化劑12-13
  • 1.1.1.4 新型變換催化劑13-23
  • 1.1.2 變換反應(yīng)機(jī)理介紹23-24
  • 1.2 三維有序大孔材料(3DOM)的進(jìn)展24-31
  • 1.2.1 三維有序大孔材料的研究背景24-30
  • 1.2.1.1 三維有序大孔(3DOM)材料模板的制備方法25-26
  • 1.2.1.2 模板的填充方法26-30
  • 1.2.1.3 模板的去除方法30
  • 1.2.2 大孔材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域30-31
  • 1.3 濃乳液聚合法及其在泡孔材料制備中的應(yīng)用31-36
  • 1.3.1 濃乳液法背景介紹31-32
  • 1.3.2 制備方法32
  • 1.3.3 濃乳液聚合法特點(diǎn)32-33
  • 1.3.4 濃乳液聚合法制備泡孔材料33-34
  • 1.3.5 濃乳液聚合法的應(yīng)用34-36
  • 1.4 選題設(shè)想36-37
  • 第二章 實驗裝置和實驗方法37-44
  • 2.1 實驗試劑與氣體37-38
  • 2.2 催化劑制備38-39
  • 2.2.1 實驗設(shè)備38-39
  • 2.2.2 催化劑制備39
  • 2.3 催化劑表征39-41
  • 2.3.1 粉末 X 射線衍射(XRD)39
  • 2.3.2 比表面積(BET)39
  • 2.3.3 掃描電鏡(SEM)39
  • 2.3.4 程序升溫還原(H2-TPR)39-40
  • 2.3.5 熱重-差熱分析(TG-DTA)40
  • 2.3.6 X 光電子能譜(XPS)40
  • 2.3.7 場發(fā)射投射電子顯微鏡(HRTEM)40-41
  • 2.3.8 催化劑組分含量測定41
  • 2.3.9 化學(xué)吸附41
  • 2.4 催化劑性能測試41-43
  • 2.4.1 反應(yīng)裝置41-42
  • 2.4.2 水煤氣變換反應(yīng)性能測試42-43
  • 2.5 平衡轉(zhuǎn)化率的計算43-44
  • 第三章 3DOM Pt/MOx催化劑的制備、表征及在水煤氣變換反應(yīng)中的應(yīng)用44-73
  • 3.1 實驗部分45-48
  • 3.1.1 催化劑制備45-47
  • 3.1.1.1 模板的制備45-46
  • 3.1.1.2 3DOM 氧化物的制備46-47
  • 3.1.1.3 3DOM Pt/MOx(M=Ti、Ce、Zr、Al)催化劑的制備47
  • 3.1.2 催化劑性能測試47
  • 3.1.3 催化劑表征47-48
  • 3.2 結(jié)果與討論48-71
  • 3.2.1 載體的篩選48-50
  • 3.2.1.1 掃描電鏡48-49
  • 3.2.1.2 活性評價49-50
  • 3.2.2 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)50-51
  • 3.2.2.1 比表面積和孔結(jié)構(gòu)50-51
  • 3.2.2.2 吸脫附曲線和孔徑分布51
  • 3.2.3 掃描電鏡51-52
  • 3.2.4 熱重-差熱分析52-53
  • 3.2.5 X 射線衍射分析53-54
  • 3.2.6 載體焙燒溫度的影響54-55
  • 3.2.6.1 X 射線衍射分析54
  • 3.2.6.2 活性測試54-55
  • 3.2.7 還原溫度的影響55-56
  • 3.2.8 空速的影響56-57
  • 3.2.9 Pt 含量的影響57-60
  • 3.2.9.1 高分辨透射電鏡57-58
  • 3.2.9.2 程序升溫還原58-59
  • 3.2.9.3 活性測試59-60
  • 3.2.10 酸處理60-67
  • 3.2.10.1 高分辨透射電鏡60-61
  • 3.2.10.2 X 射線光電子能譜61-63
  • 3.2.10.3 反應(yīng)后催化劑的高分辨透射電鏡63-65
  • 3.2.10.4 穩(wěn)定性65-67
  • 3.2.11 大孔結(jié)構(gòu)對催化性能的影響67-69
  • 3.2.11.1 孔徑分布67-68
  • 3.2.11.2 程序升溫還原68-69
  • 3.2.11.3 活性測試69
  • 3.2.12 與介孔催化劑對比69-71
  • 3.3 小結(jié)71-73
  • 第四章 CeO_2摻雜3DOM Pt/TiO_2的制備及其在水煤氣變換反應(yīng)中的應(yīng)用73-81
  • 4.1 催化劑制備73
  • 4.2 表征73
  • 4.3 結(jié)果與討論73-80
  • 4.3.1 比表面積和粒徑大小73-74
  • 4.3.2 掃描電鏡74-75
  • 4.3.3 X 射線衍射分析75-76
  • 4.3.4 高分辨透射電鏡76-77
  • 4.3.5 程序升溫還原77-79
  • 4.3.6 性能測試79-80
  • 4.4 小結(jié)80-81
  • 第五章 大孔-整體式氧化物的制備81-97
  • 5.1 模板的制備81-85
  • 5.1.1 實驗部分81-83
  • 5.1.1.1 原理81-82
  • 5.1.1.2 制備步驟82-83
  • 5.1.2 表征83
  • 5.1.3 結(jié)果與討論83-85
  • 5.1.3.1 分散相體積分?jǐn)?shù)的影響83-84
  • 5.1.3.2 表面活性劑數(shù)量的影響84-85
  • 5.2 大孔-整體式氧化物的制備85-96
  • 5.2.1 實驗部分85-87
  • 5.2.1.1 大孔-整體式 SiO_2 的制備86
  • 5.2.1.2 大孔-整體式 TiO_2 的制備86
  • 5.2.1.3 大孔-整體式 Al_2O_3 的制備86-87
  • 5.2.2 結(jié)果與討論87-96
  • 5.2.2.1 大孔-整體式氧化物87-91
  • 5.2.3.2 大孔-整體式 TiO_291-94
  • 5.2.3.3 大孔-整體式 Al_2O_394-96
  • 5.3 小結(jié)96-97
  • 第六章 大孔-整體式 Pt/MO_x/Al_2O_3催化劑的制備及其對水煤氣變換反應(yīng)的性能研究97-116
  • 6.1 大孔-整體式 Pt/TiO_2/Al_2O_3 的制備及其對水煤氣變換反應(yīng)的性能 研究97-102
  • 6.1.1 大孔-整體式 Pt/TiO_2/Al_2O_3 的制備97
  • 6.1.1.1 模版聚苯乙烯(PS)的制備97
  • 6.1.1.2 大孔-整體式 Al_2O_3 的制備97
  • 6.1.1.3 大孔-整體式 TiO_2/Al_2O_3 的制備97
  • 6.1.1.4 大孔-整體式 Pt/TiO_2/Al_2O_3 的制備97
  • 6.1.2 大孔-整體式 Pt/TiO_2/Al_2O_3 的表征及評價條件97-98
  • 6.1.2.1 表征97-98
  • 6.1.2.2 活性測試條件98
  • 6.1.3 結(jié)果與討論98-102
  • 6.1.3.1 掃描電鏡98
  • 6.1.3.2 鈦溶膠填充次數(shù)的影響98-100
  • 6.1.3.3 填充?-Al_2O_3 的影響100-101
  • 6.1.3.4 鉑含量的影響101-102
  • 6.2 大孔-整體式 Pt/CeO_2/Al_2O_3 的制備及其對水煤氣變換反應(yīng)性能的研究102-115
  • 6.2.1 實驗部分102-103
  • 6.2.1.1 催化劑制備102-103
  • 6.2.1.2 催化劑性能測試103
  • 6.2.1.3 催化劑表征103
  • 6.2.2 結(jié)果與討論103-107
  • 6.2.2.1 整體式形貌103-104
  • 6.2.2.2 Ce(NO_3) 3 濃度的影響104-105
  • 6.2.2.3 鉑前驅(qū)液的影響105-107
  • 6.2.3 助劑的影響107-109
  • 6.2.3.1 X 射線衍射分析107-108
  • 6.2.3.2 程序升溫還原108
  • 6.2.3.3 性能測試108-109
  • 6.2.4 ZrO_2 的影響109-113
  • 6.2.4.1 比表面積和粒徑大小109-110
  • 6.2.4.2 X 射線衍射分析110
  • 6.2.4.3 高分辨透射電鏡110-111
  • 6.2.4.4 活性測試111-112
  • 6.2.4.5 鋯含量的影響112-113
  • 6.2.5 重整氣氣氛下的活性評價113-115
  • 6.3 小結(jié)115-116
  • 第七章 結(jié)論116-118
  • 7.1 結(jié)論116-117
  • 7.1.1 3DOM Pt/TiO_2 催化劑應(yīng)用于水煤氣變換反應(yīng)116
  • 7.1.2 大孔-整體式 Pt/CeO_2/Al_2O_3 催化劑用于水煤氣變換反應(yīng)116-117
  • 7.2 本論文創(chuàng)新之處117-118
  • 參考文獻(xiàn)118-128
  • 發(fā)表論文和科研情況說明128-130
  • 致謝130


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摩擦催化反應(yīng)中機(jī)械摩擦作用對催化劑的影響    歐陽平;姚金華;陳國需;李華峰;

李燦:“催化”人生    趙亞輝

李燦院士獲今年何梁何利進(jìn)步獎    記者應(yīng)慶

二氧化碳變塑料    苛衛(wèi)

表面化學(xué):我們身邊的科學(xué)    本報記者 張佳星

書寫“水變氫”的傳奇    記者 吳苡婷

他的研究“深入淺出”,至少能幫人理解“鐵為什么會生銹”    潘治

科學(xué)家變廢為寶二氧化碳制成塑料    

勇攀科學(xué)高峰的人    劉文

國Ⅱ車喝歐Ⅲ油得不償失?    本報記者 張震

窺探警戒線內(nèi)的“寶貝”    通訊員  黃劍華 本報記者  郭姜寧

用于水煤氣變換反應(yīng)的大孔Pt/TiO_2和Pt/CeO_2催化劑的研究    梁皓

納米碳纖維生長速率及形態(tài)調(diào)控    盧文新

微波輻射下耐硫型Pd催化劑的可控制備及在一步法合成二甲醚中的應(yīng)用    褚睿智

脂肪酸甲酯加氫制脂肪醇Cu/Zn催化劑的失活機(jī)理研究    黃輝

Ni催化劑催化乙醇重整制氫的研究    王文舉

乙醇重整制氫Ir-La催化劑設(shè)計及微反性能優(yōu)化    陳鴻慶

鈦基SCR催化劑及其鉀、鉛中毒機(jī)理研究    姜燁

Ni基催化劑上甲烷二氧化碳重整制合成氣的研究    張安杰

新型載體SiO_2-TiO_2-ZrO_2載負(fù)MoP催化劑的制備、表征及加氫精制性能    丁保宏

硫化后還原法制備磷化物催化劑及其加氫脫硫反應(yīng)性能    滕陽

橡膠防老劑4020合成工藝的研究    李正啟

Ni/TiO_2-SiO_2催化劑的制備、表征及順酐加氫性能研究    楊燕萍

煙氣脫硝SCR催化劑的性能研究    彭神風(fēng)

甲醇液相氧化羰基化Cu-Si-Ti基催化劑的研究    劉樹森

柴油車尾氣凈化蜂窩狀Fe-Mo/ZSM-5催化劑的試驗研究    莊永濤

納米金催化劑室溫氧化CO及其再生研究    劉艷霞

改性蒙脫土負(fù)載Co催化劑的費(fèi)—托合成反應(yīng)行為    王光偉

焦?fàn)t煤氣釕甲烷化催化劑的制備及研究    王莉萍

化學(xué)鍍制備Co基催化劑及其催化硼氫化鈉水解制氫的研究    張曉偉

超重力共沉淀法制備銅基甲醇合成催化劑及其性能表征    楊曉楠