CuO-ZnO-ZrO2催化甲醇水蒸汽重整反应机理和中间态

应用质谱在线技术,对CuO-ZnO-ZrO2催化甲醇水蒸汽重整（SRM）反应进行程序升温脱附（TPD）和程序升温表面反应（TPSR）研究.结果表明:在反应态催化剂表面,甲醇以分子吸附态形式存在,甲醇水蒸汽重整反应经历甲酸根中间物种.分别用CuO、CuO-ZnO、CuO-ZnO-ZrO2作催化剂,甲醇在气流中的摩尔分数分别高于5.4％、0.37％和0.17％时,甲酸根中间态的分解产物为CO2和H2;而甲醇在气流中的摩尔分数分别低于5.4％、0.37％和0.17％时,甲酸根中间态的分解产物为CO、CO2和H2.     

ZrO_2在Cu-ZnO-ZrO_2甲醇水蒸汽重整制氢催化剂中的作用

通过对一系列Cu-ZnO-ZrO2甲醇水蒸汽重整(SRM)催化剂的XRD、TEM和BET表征及催化性能测定,研究催化剂中ZrO2对催化剂粒径、比表面以及对SRM反应性能的影响.结果表明,ZrO2的加入,使催化剂的粒径从15nm降至10nm(其中CuO和ZnO的平均粒径分别从7.7和10.4nm降至3.9和8.7nm),BET比表面从60m2·g-1增至78m2·g-1.随着催化剂含ZrO2量不同,甲醇的转化率和H2、CO2的选择性均产生变化,当催化剂中Zr含量为24.0%(w),反应温度为220℃,水、醇摩尔比为1.3时,甲醇的转化率达到51.6%,H2和CO2的选择性达到100%(CO和CH4在产物气体中的体积分数小于10-4),这一结果对甲醇燃料电池甲醇重整器的应用具有重要的意义.     

甲醇水蒸气重整Cu—Ni双金属催化体系的研究

本文用Cu(NO_3)_2和Ni(NO_3)_2制备了系列Cu-Ni双金属催化剂,并用于甲醇水蒸汽重整反应。以程序升温还原(TPR)技术对各种组成的混合氧化物体系进行了还原性能研究。结果表明,CuO-NiO混合体系均比纯CuO,NiO容易被还原。采用程序升温连续流动反应(TPCFR)技术对不同方法制备的各种组成的催化剂进行了评价。发现在最佳催化剂上甲醇水蒸汽重整反应分两段进行:300℃以前以甲醇分解为主,300℃以后开始发生水煤气变换反应。对TPCFR曲线进行分段解析并将结果与单独进行甲醇分解和水煤气变换反应所得结果进行了对比,结果表明:甲醇水蒸汽重整反应中甲醇分解和水煤气变换两段反应的表观活化能分别和单独进行甲醇分解、水煤气变换反应时求得的表观活化能是一致的。     

ZrO2在Cu-ZnO-ZrO2甲醇水蒸汽重整制氢催化剂中的作用

通过对一系列Cu-ZnO-ZrO2甲醇水蒸汽重整(SRM)催化剂的XRD、TEM和BET表征及催化性能测定,研究催化剂中ZrO2对催化剂粒径、比表面以及对SRM反应性能的影响.结果表明,ZrO2的加入,使催化剂的粒径从15 nm降至10 nm（其中CuO和ZnO的平均粒径分别从7.7和10.4 nm降至3.9和8.7 nm）,BET比表面从60 m2•g－1增至78 m2•g－1.随着催化剂含ZrO2量不同,甲醇的转化率和H2、CO2的选择性均产生变化,当催化剂中Zr含量为24.0％(w),反应温度为220 ℃,水、醇摩尔比为1.3时,甲醇的转化率达到51.6％, H2和CO2的选择性达到100％(CO和CH4在产物气体中的体积分数小于10－4),这一结果对甲醇燃料电池甲醇重整器的应用具有重要的意义.     

MgO催化剂上甲醇分解反应机理的研究

自Greenler等用IR光谱研究了甲醇在氧化铝上的分解反应后,对各种氧化物表面上甲醇的吸附及反应的IR光谱、TPD及NMR研究已有较多报道.田丸等研究了酸性氧化铬表面上甲醇分解反应机理,认为甲醇首先形成甲氧基吸附态,然后变成甲酸根吸附态,再进一步分解为H_2、CO、H_2O及CO_2,并认为稳定的吸附态甲酸根离子在甲醇气氛下更易于分解为产物.本文对碱性MgO表面上甲醇分解反应机理进行了探讨.     

铜 基 催 化 剂 上 甲 醇 水 蒸 汽 重 整 制 氢Ⅰ． 催 化 剂 组 成 的 影 响

在H2O/CH3OH摩尔比为1.3、液空速为1.5h-1、反应温度为220℃条件下,对甲醇水蒸汽重整制氢Cu/Zn/(Fe,Mn,Cr)/AlO催化剂性能进行了考察.研究表明,Cr的加入可以显著提高甲醇的转化率,降低出口气体中的CO含量.与Cu60Zn30Al10催化剂相比,Cu30Zn15Cr45Al10催化剂出口气体中CO的含量降低54%,甲醇的转化率提高约20%.     

两种甲醇水蒸气重整制氢催化剂的研究

对采用共沉淀法制备的CuZnAlO类铜系催化剂和采用水滑石类层柱材料（LDHs）前驱体制备的催化剂在甲醇水蒸气重整制氢反应中的性能进行了研究。对共沉淀法制备的CuZnAlO类铜系催化剂考察了ZrO2助剂的加入对催化剂反应性能的影响，发现Zr的质量分数为10％的催化剂显著提高CuZnAlO催化剂的反应性能。该催化剂的最佳反应条件：0.1 MPa、250 ℃、H2O/MeOH摩尔比1.0～1.3、3.56 h－1。在此反应条件下进行了COPZr2催化剂150 h稳定性实验。结果表明，该催化剂具有很好的反应稳定性。甲醇转化率和氢产率分别约为88％和83％，产物湿基组成中H2和CO的质量分数分别为>63％和0.20％～0.31％。对LDHs前驱体制备的催化剂，进行了70 h反应稳定性实验，结果表明，催化剂虽具有较高的起始活性，但随反应进行，活性有所下降，30?h后基本保持稳定，甲醇转化率和产氢率分别为73％和66％，产物湿基组成中H2和CO的质量分数分别为>55％和0.07%～0.08%。该类催化剂的反应稳定性虽较差，但却可以显著降低产物湿基组成中CO的摩尔分数。对LDHs前驱体制备的催化剂进行XRD和SEM表征结果表明，ZrO2的加入使催化剂中CuO晶粒分散更为均匀，颗粒更细。     

程序升温连续流动反应器技术及其应用

在运用连续流动反应(CFR)技术(尾气技术)的基础上提出了1种可筛选催化剂并能进行非均相催化动力学研究的实验原理和方法--程序升温连续流动反应器(TPCFR)技术。在用此法筛选过的Cu-Ni催化剂上对甲醇分解反应和甲醇水蒸汽重整反应进行了系统研究,证明这种方法合理、可信。利用1条TPCFR曲线可求出各个动力学参数。     

甲醇水蒸汽催化重整过程的研究进展

甲醇水蒸汽重整是车载燃料电池较为理想的氢源,其中选择合适的催化剂又是重整反应的一个关键问题.本文综述了应用于甲醇水蒸汽重整反应的常用催化剂,如含Cu、Ni、Cr、Pd等,包括这些催化剂的催化性能、反应条件、产物分析等,并对部分催化剂的催化机理和动力学分析进行了概述.另外,还简要地介绍了应用于氧化水蒸汽重整反应的催化剂。     

甲醇水蒸气重整制氢CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂的研究

采用浸渍法和溶胶凝胶法制备了CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂,并将其用于甲醇水蒸气重整制氢反应中。结果表明,与CuO/CeO2-ZrO2颗粒催化剂相比,CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂催化活性较好,产氢速率较快且重整气中CO体积分数较低。进一步探究了涂层涂覆量和CuO负载量对催化性能的影响,结果表明,当CeO2-ZrO2复合氧化物涂层涂覆量在15%±1%,CuO负载量为5%±1%时,催化性能较好;当反应温度为340℃,水醇物质的量比为1. 2,甲醇水蒸气气体空速为4840 h-1时,甲醇转化率为86. 0%,产氢速率为1490. 0 L/(m3·s),重整气中CO体积分数为1. 55%。最后通过单因素实验法探究了甲醇水蒸气气体空速、水醇物质的量比和反应温度对反应的影响。结果表明,随着气体空速变大,甲醇转化率下降,产氢速率上升,重整气中CO体积分数下降。随着水醇物质的量比增加,甲醇转化率先上升后下降,产氢速率先上升后下降,重整气中CO体积分数下降。随着反应温度的升高,甲醇转化率、产氢速率和重整气中CO体积分数均上升。     

Production of dimethylether(DME) as a clean fuel using sonochemically prepared CuO and /or ZnO- modified γ- alumina catalysts

The catalytic conversion of methanol to dimethylether(DME)was studied over CuO/Al2O3,ZnO/Al2O3and ZnOCuO/Al2O3nanocatalysts prepared in presence or absence of ultrasonic irradiation.The catalysts were characterized by X-ray diffraction(XRD),surface characterization method(BET),scanning electron microscope(SEM),H2-temperature programmed reduction(H2-TPR)and temperature programmed desorption of ammonia(NH3-TPD).The experimental results show that during catalytic dehydration of methanol to dimethylether,the activities of the CuO/Al2O3,ZnO/Al2O3and ZnO-CuO/Al2O3catalysts prepared using ultrasonic treatment are much higher than those prepared in absence of ultrasonication.SEM shows that the use of ultrasonication results in much smaller nanoparticles.BET and XRD show that the ultrasonication increases the surface area and pore volume of the catalysts.H2-TPR profiles indicated that reducibility of the sonicated nanocatalysts is carried out at lower temperatures.NH3-TPD shows that ultrasound irradiation has enhanced the acidity of the nanocatalyst and hence enhanced catalytic performance for DME formation.     

负载型Cu/Al2O3和Cu/ZnO催化剂上CO2加氢的原位FTIR及准原位XPS/HS-LEIS研究

铜基催化剂是工业合成甲醇中常用的催化剂,其主要包含Cu,ZnO,Al₂O₃三种组分,研究各组分在催化合成甲醇过程中的本质作用及其相互间的协同作用不仅是一个催化基础科学问题,同时对于设计和合成新型高性能的铜基催化剂也有重要指导作用.以往的研究主要针对Cu和ZnO二元组分,关于Al₂O₃的作用很少有报道,主要观点认为Al₂O₃起结构助剂的作用.在Cu/Al₂O₃/ZnO(0001)-Zn模型催化体系的研究中,我们发现Al₂O₃具有稳定Cu⁺的能力.为了更接近于实际催化体系,并进一步探索铜基催化剂中载体Al₂O₃及ZnO的作用,我们制备了负载型的5 wt%Cu/Al₂O₃及5 wt%Cu/ZnO催化剂,并通过原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)、准原位X射线光电子能谱(ex situ XPS)及高灵敏度低能离子散射谱(HS-LEIS),着重考察H₂还原及CO₂加氢过程中表面吸附物种的转变及催化剂表面结构变化,更深一步理解Cu,ZnO,Al₂O₃三组分在催化CO₂加氢过程中所起的作用及相互间的协同作用.通过XRD,BET和TEM表征,发现采用浸渍负载法制备的、经过焙烧后的5 wt%Cu/Al₂O₃及5 wt%Cu/ZnO催化剂的结构和形貌有明显差别,Al₂O₃载体具有较大的比表面积,CuO在其表面分散性较好,而ZnO的比表面积很小、CuO颗粒也相对较大.Ex situ XPS及HS-LEIS显示,经过H2还原后,Cu在Al₂O₃表面的颗粒粒径略有增大,表面仍有较大比例的Cu⁺物种.以CO为探针分子的FTIR光谱也表明,H2还原后5 wt%Cu/Al₂O₃存在一定量的Cu⁺,而5 wt%Cu/ZnO催化剂还原后形成Cu纳米粒子表面被ZnOx包覆,ex situ XPS及HS-LEIS的深度剖析也证实了上述结果.CO₂加氢过程中,5 wt%Cu/Al₂O₃表面能够形成大量碳酸氢盐及碳酸盐物种并在升温过程中逐渐转变为甲酸盐,表面仍有一定量的Cu⁺;5 wt%Cu/ZnO表面形成的碳酸盐及碳酸氢盐物种含量相对较少,但Cu-ZnOx的协同作用形成活化H2的高活性表面,在室温下就可以生成甲酸盐物种,在随后的升温过程中甲酸盐逐渐转变为甲氧基.通过对比负载型Cu/Al₂O₃及Cu/ZnO催化剂的研究,得以更加深入地理解铜基催化剂中载体在CO₂加氢制甲醇过程中所起的作用:Al₂O₃能较好分散Cu,且能够稳定Cu⁺;相对于ZnO,Al₂O₃具有较强的吸附CO₂能力,能够在表面形成大量的碳酸氢盐物种及碳酸氢盐物种,与表面Cu作用在升温过程中能够生成大量的甲酸盐物种;对于5 wt%Cu/ZnO在H2还原和CO₂加氢过程中Cu表面被ZnOx包覆,其高度缺陷的表面结构能在室温下解离H2.这些结果表明,实际CuZnAlO催化剂上CO₂加氢制备甲醇的活性位点可能包含Cu⁺,Cu0及相邻的具有高度缺陷结构的ZnOx包覆层.     

Probing the Reactivity of ZnO and Au/ZnO Nanoparticles by Methanol Adsorption: A TPD and DRIFTS Study

The adsorption of methanol on pure ZnO and Au‐decorated ZnO nanoparticles and its thermal decomposition monitored by temperature‐programmed desorption (TPD) experiments and by diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), both applied under continuous flow conditions in fixed bed reactors, is reported. Two distinguishable methoxy species are formed during methanol adsorption on ZnO differing in the C? O stretching bands. During the subsequent TPD experiments two different H₂ peaks are observed, indicating the conversion of methoxy into formate species. By applying different heating rates, activation energies of 109 kJ mol^?1 and 127 kJmol^?1 for the selective oxidation of the two methoxy species are derived. Correspondingly, the methoxy decomposition results in two distinguishable formate species, which are identified by the asymmetric and symmetric OCO stretching bands on pure ZnO and Au/ZnO. Based on the decreased intensities of the OH bands during methanol adsorption, which are specific for the various ZnO single crystal surfaces, on the different reactivities of these surfaces, and on the formate FTIR bands observed on ZnO single crystal surfaces, the two methoxy and the corresponding formate species are identified to be adsorbed on the exposed less reactive non‐polar ZnO(${10\bar 10}$ ) surface and on the highly reactive polar ZnO(${000\bar 1}$ ) surface. The simultaneous formation of H₂, CO, and CO₂ at about 550–600 K during the TPD experiments indicate the decomposition of adsorbed formate species. The CO/CO₂ ratio decreases with increasing Au loading, and a broad band due to electronic transitions from donor sites to the conduction band is observed in the DRIFT spectra for the Au‐decorated ZnO nanoparticles. Thus, the presence of the Au nanoparticles results in an enhanced reducibility of ZnO facilitating the generation of oxygen vacancies.     

超细CuO/ZnO/TiO2-SiO2的表征和CO2加氢合成甲醇性能研究

用溶胶-凝胶法制备了铜、锌质量分数不同的超细Cu/ZnO/TiO2-SiO2催化剂。通过BET、TPR、XRD及FT-IR等方法对催化剂前驱体CuO/ZnO/TiO2-SiO2的物化性能进行表征。用固定床连续流动微反装置，考察催化剂CO2加氢合成甲醇的催化性能。研究结果表明，溶胶-凝胶法制备的CuO/ZnO/TiO2-SiO2催化剂比表面较大（240 m2/g～590 m2/g），孔径分布单一，晶相组成为CuO。随着铜、锌质量分数的增大，催化剂的比表面积减小，最可几孔径增大; CuO微晶结晶度增大,同时微晶尺寸逐渐增大至20 nm。催化剂具有较高的反应活性和选择性，当氧化铜、氧化锌质量分数各为25%时，在260 ℃，2 500 h－1，CO2∶H2=1∶3（mol比），2.0 MPa的反应条件下，甲醇时空收率为0.126g/(h·g)。     

CO和CO2在Cu／ZnO／Al2O3催化剂上加氢反应机理的原位红外研究

ＣｕＺｎＯＡｌ2Ｏ3催化剂用于合成甲醇的反应机理已经进行了大量的研究[1～3]。近年来,利用原位红外技术在研究合成甲醇的催化反应机理方面取得了不少研究成果[4～7]。但大多数实验是采用低铜含量催化剂[4,5]。本文采用高温加压式原位红外池,在513Ｋ和20ＭＰａ的条件下,...     

AHTD法铜基催化剂中氧化铝的作用

由合成气催化合成甲醇是重要的工业过程,其中使用的Cu/Zn/Al催化剂一直是人们广泛研究的对象,这种催化剂常由金属硝酸盐用NaHCO_3(或Na_2CO_3)在一定的pH值下沉淀生成金属复合碳酸盐,再加热分解成氧化物制得。该法步骤繁琐,耗时多。本文采用雾化高温分解法(Aerosol High Temperature Decomposition,简称AHTD法)扶金属硝酸盐一步制得催化剂氧化物,并研究了Cu/Zn/Al催化剂中Al_2O_3对催化活性、表面性质的影响。     

A New Method of Low Temperature Methanol Synthesis

Low temperature methanol synthesis is a promising technique for the practical methanol industry. New developments of a new kind of low temperature methanol synthesis were reviewed, including the effects of feed gas, reaction solvent, supercritical media and catalyst modification. The reaction mechanism and kinetics were also summarized primarily. Carbon dioxide played an important role in this new kind of low temperature methanol synthesis. It reacted with hydrogen adsorbed on catalyst surface to form HCOOM, an important reaction intermediate. Alcohol solvent in the low temperature methanol synthesis performed not only a media, but also a homogeneous catalyst. The reaction of the adsorbed formate species with alcohol on Cu/ZnO catalyst surface proceeded according to the Rideal mechanism rather than Langmuir–Hinshelwood mechanism to form alkyl formate. The formation of alkyl formate from alcohol solvent and hydrogenation of such an alkyl formate were the key steps in low temperature methanol synthesis reaction. These results provided new insights into low temperature methanol synthesis.     

Mechanism of methanol conversion on ZrO<Subscript>2</Subscript> and 5% Cu/ZrO<Subscript>2</Subscript> according to in situ IR spectroscopic data

It is demonstrated by in situ IR spectroscopy that, in methanol conversion on ZrO₂ and 5% Cu/ZrO₂ catalysts, methoxy groups are present on the catalyst surface, which result from O-H or C-O bond breaking in the methanol molecule. Two types of formate complexes, localized on ZrO₂ and CuO, are also observed. The formate complexes form via the oxidative conversion of the methoxy groups. There are two types of linear methoxy groups. First-type linear methoxy groups condense with the formate complex located on CuO to yield methyl formate and then CO and H₂. Second-type methoxy groups appear as intermediate products in the formation of dimethyl ether. The main hydrogen formation reactions are the recombination of hydrogen atoms (which result from the interconversion of surface complexes) on copper clusters and the decomposition of methyl formate. The source of CO₂ in the gas phase is the formate complex, and the source of CO is methyl formate. The effect of water vapor and oxygen the surface reactions and product formation is discussed.     

CaO对Cu-ZnO-ZrO_2催化CO_2加H_2合成甲醇性能影响

用CaO作为改性助剂,采用并流共沉淀法制备了CuO∶ZnO∶ZrO_2为5∶4∶1(物质的量比),CaO添加量为0、1%、2%、4%、8%、16%(摩尔分数)的六组催化剂。用X射线衍射(XRD)、微商热重(TG-DTG)、傅里叶红外(FT-IR)、N2吸附脱附(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、CO_2程序升温脱附(CO_2-TPD)、NH_3程序升温脱附(NH_3-TPD)对催化剂进行了表征。用自制固定床评价了催化剂活性。结果表明,添加CaO后,催化剂路易斯酸性和表面碱性增强;催化剂母体中高温碳酸盐含量增加,热稳定性增强,CuO颗粒粒径变小,Cu-Zn协同作用增强,Cu比表面积增大,分散性变好。催化剂活性受到表面酸碱性、铜比表面积、Cu-Zn协同作用和铜分散性共同影响。当CaO为2%时,铜比表面积为79.3 m2/g、铜分散度为34.8%、CO_2转化率为24.55%、甲醇选择性为19.01%、甲醇收率为0.044 g/(gcat·h),催化剂活性最好。过量CaO占据催化剂孔道和覆盖表面活性位,使催化剂路易斯酸性和表面碱性过强,CuO与H_2有效接触减少,CO_2难以脱附,催化活性下降。因此,适量CaO(2%)添加可促进CO_2加氢反应合成甲醇。