共沉淀法制備Cu/Fe_3O_4水煤氣催化劑及結(jié)構(gòu)與性能研究

【摘要】：面對(duì)愈來(lái)愈嚴(yán)重的能源短缺問題,亟待開發(fā)新的能源。和傳統(tǒng)的石化燃料相比,氫能具有能量高、無(wú)毒和可再生等優(yōu)點(diǎn),是一種極為優(yōu)越的新能源,因而倍受科學(xué)家青睞。目前,H2主要來(lái)源于天然氣重整及煤氣化等,然而這些重整產(chǎn)物中不可避免含有一定量的CO,它會(huì)使燃料電池Pt電極中毒失效。水煤氣變換反應(yīng)(WGSR)在降低CO的含量的同時(shí)又能產(chǎn)生H2,隨著燃料電池技術(shù)的興起,WGSR催化劑再次引起了科學(xué)家的關(guān)注。傳統(tǒng)的水煤氣變換催化劑因熱穩(wěn)定性差,硫化過程繁瑣,無(wú)法滿足燃料電池的需要,迫切需要開發(fā)新型的水煤氣變換催化劑。因此,本論文選擇價(jià)廉、易得,且變換催化性能良好的銅鐵催化劑為研究對(duì)象。本文制備了一系列的Cu/Fe3O4催化劑,通過N2-物理吸附，XRD、H2-TPR、CO2-TPD、 O2-TPO、Raman、SEM、N2O-desorption、CV等技術(shù)手段研究了催化劑的結(jié)構(gòu)、物化性能及表面性質(zhì)對(duì)催化活性的影響,探討催化劑的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。首先,考察了不同沉淀劑(KOH、K2CO3、Na2CO3、NAOH和NaHCO3)制備的系列Cu/Fe3O4催化劑的結(jié)構(gòu)和變換性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),以KOH為沉淀劑制備的催化劑表現(xiàn)出較好的變換性能,這與其具有較大的比表面積,更高的Cu分散度,最多的弱堿性活性位點(diǎn)和更強(qiáng)的銅鐵協(xié)同作用力密切相關(guān)。其次,通過添加助劑(ZnO)對(duì)Cu/Fe3O4催化劑進(jìn)行改性研究。以KOH為沉淀劑,采用分步共沉淀法制備了一系列的Cu/Fe3O4-ZnO催化劑。結(jié)果表明：添加2.5 wt.% ZnO改性的催化劑具有更好的Cu分散性,提高了催化劑的還原性能；含有更多較弱的或是中強(qiáng)的堿性活性位點(diǎn),有利于H2O的解離和CO的吸附,其催化劑活性和熱穩(wěn)定性較佳。此外,通過添加助劑(La203)對(duì)Cu/Fe3O4催化劑進(jìn)行改性研究。La203助劑的引入減弱了銅鐵之間的相互作用,抑制了CuFe2O4的生成,減少了可被還原的活性銅物種的數(shù)量,削弱了催化劑的還原性能,降低了催化劑的變換性能。 【關(guān)鍵詞】：銅鐵催化劑 水煤氣變換反應(yīng) 還原性能 銅分散度 堿性位點(diǎn)
【學(xué)位授予單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O643.36;TQ544
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 前言9-21
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 傳統(tǒng)的水煤氣變換催化劑11
• 1.3 新型水煤氣變換催化劑的研究意義11-12
• 1.4 鐵基負(fù)載型水煤氣變換催化劑12-14
• 1.4.1 Au/Fe_2O_3催化劑12-13
• 1.4.2 Ru/Fe_2O_3催化劑13-14
• 1.5 負(fù)載型銅基水煤氣變換催化劑14-19
• 1.5.1 Cu/CeO_2催化劑14-16
• 1.5.2 CuO/ZnO/Al_2O_3催化劑16
• 1.5.3 Cu/ZrO_2催化劑16-17
• 1.5.4 Cu/MnO催化劑17-18
• 1.5.5 Cu/Fe_3O_4催化劑18-19
• 1.6 本研究的立題依據(jù)及研究?jī)?nèi)容19-21
• 1.6.1 立題依據(jù)19-20
• 1.6.2 研究?jī)?nèi)容20-21
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分21-29
• 2.1 主要化學(xué)試劑及氣體21-22
• 2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備22-23
• 2.3 催化劑的制備23
• 2.4 催化劑的變換性能測(cè)試23-26
• 2.4.1 催化劑的變換性能測(cè)試裝置23-24
• 2.4.2 水煤氣變換性能的測(cè)試條件24
• 2.4.3 水煤氣變換性能測(cè)試的相關(guān)理論計(jì)算和分析24-26
• 2.4.3.1 CO轉(zhuǎn)化率的計(jì)算24-25
• 2.4.3.2 催化劑床層引起的壓降計(jì)算25
• 2.4.3.3 汽氣比25-26
• 2.5 催化劑的表征技術(shù)26-29
• 2.5.1 N_2-物理吸脫附26
• 2.5.2 X-射線粉末衍射(XRD)26
• 2.5.3 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)26
• 2.5.4 H_2程序升溫還原(H_2-TPR)26-27
• 2.5.5 CO程序升溫還原(CO-TPR)27
• 2.5.6 O_2程序升溫氧化(O_2-TPO)27
• 2.5.7 CO_2程序升溫脫附(CO_2-TPD)27
• 2.5.8 N_2O-decomposition分析27-28
• 2.5.9 共焦顯微拉曼光譜(Raman)28
• 2.5.10 循環(huán)伏安測(cè)試(CV)28-29
• 第三章 不同的沉淀劑對(duì)Cu/Fe_3O_4催化劑的水煤氣變換性能的影響29-42
• 3.1 引言29
• 3.2 Cu/Fe_3O_4催化劑的制備29-30
• 3.3 結(jié)果與討論30-41
• 3.3.1 催化劑的織構(gòu)性質(zhì)30-31
• 3.3.2 催化劑的表面形貌特征31-32
• 3.3.3 催化劑的XRD分析32-34
• 3.3.4 催化劑的N_2O-decomposition分析34
• 3.3.5 催化劑的Raman分析34-35
• 3.3.6 催化劑的H_2-TPR分析35-36
• 3.3.7 催化劑的CO_2-TPD分析36-38
• 3.3.8 催化劑的CV(Cyclic Voltammetry)分析38
• 3.3.9 催化劑的活性測(cè)試38-41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 第四章 ZnO助劑對(duì)Cu/Fe_3O_4催化劑的水煤氣變換性能的影響42-53
• 4.1 引言42
• 4.2 Cu/Fe_3O_4-ZnO催化劑的制備42-43
• 4.3 結(jié)果與討論43-52
• 4.3.1 催化劑的織構(gòu)性能43-44
• 4.3.2 催化劑的XRD分析44-46
• 4.3.3 催化劑的表面形貌分析46
• 4.3.4 催化劑的H_2-TPR分析46-47
• 4.3.5 催化劑的CO-TPR分析47-48
• 4.3.6 催化劑的O_2-TPO分析48-49
• 4.3.7 催化劑的CO_2-TPD分析49-50
• 4.3.8 催化劑的活性測(cè)試50-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 第五章 La_2O_3助劑對(duì)Cu/Fe_3O_4催化劑的水煤氣變換性能的影響53-61
• 5.1 引言53
• 5.2 Cu/Fe_3O_4-La_2O_3催化劑的制備53-54
• 5.3 結(jié)果與討論54-59
• 5.3.1 催化劑的織構(gòu)性能54-55
• 5.3.2 催化劑的XRD分析55-57
• 5.3.3 催化劑的H_2-TPR分析57-58
• 5.3.4 催化劑的CO_2-TPD分析58
• 5.3.5 催化劑的活性測(cè)試58-59
• 5.4 本章小結(jié)59-61
• 結(jié)論61-62
• 參考文獻(xiàn)62-69
• 致謝69-70
• 個(gè)人簡(jiǎn)介70

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