焙烧温度对Au/Fe2O3选择性氧化富氢气体中CO催化性能的影响

甲醇重整在线制氢作为质子交换膜燃料电池的燃料成为当前研究的热点。受重整反应动力学及热力学的限制，使得甲醇重整气(富氢气体)中除含有大量的氢气外还含有少量的CO，CO极易吸附在燃料电池阳极催化剂表面，使电池性能下降，因而必须去除重整气中的CO，选择性氧化脱除富氢气     

燃料电池中Pt基催化剂对CO的催化氧化

燃料电池具有燃料多样性、噪声低、对环境污染小等优势,近年来备受研究者关注。然而,电池中的贵金属催化剂极易被少量的CO毒化,成为制约其商业化的一大障碍。因此,设计出高性能的催化剂对于推动燃料电池的发展十分关键。本文综述了燃料电池中铂(Pt)基催化剂对CO催化氧化的研究现状,首先探讨了CO催化氧化机理以及CO在Pt金属表面化学吸附的机理,其次详细介绍了Pt负载型催化剂、双金属催化剂以及助催化剂在催化反应中的不同作用,然后简单分析了影响Pt基催化剂性能的其他因素。最后,对燃料电池中Pt基催化剂的研究方向作了进一步的展望,旨在为燃料电池中CO催化氧化的发展开拓新思路。     

载体对Cu基催化剂富氢条件下CO氧化性能的影响

燃料电池是一种高效和环境友好的能源装置,其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其工作温度低、低温启动性能好、功率密度和能量转换效率高等优点而广受关注[1].目前,PEMFC所需要的氢气一般通过醇或烃类的重整获得,但所得的氢气含有浓度较高的、使燃料电池Pt电极中毒的CO,导致电池失效,CO的选择性（优先）催化氧化（PROX）在众多去除CO的方法中被认为是最直接有效的一种.     

光还原催化剂Pt/TiO2富氢条件下CO优先氧化反应

用光还原法来提高富氢条件下CO优先氧化(PROX)催化活性和CO2选择性,分别对有无氢气时CO氧化反应参数进行了详尽研究.X射线光电子能谱(XPS)表征结果显示,在光还原催化剂表面产生了部分氧空穴,可为化学吸附H提供活性中心.针对光还原Pt/TiO2催化剂上CO优先氧化反应提出了一种可能的双功能反应机理.     

一氧化碳低温催化氧化研究进展

众所周知,CO是典型的可燃、有毒化合物.化石燃料燃烧、化学工业以及机动车使用造成大量CO排放,现已成为严重的环境问题,引起了人们的普遍关注[1～4].CO的低温(<100℃)消除在许多方面都有重要的使用价值,在CO2激光器中气体的纯化、CO气体探测器材料、呼吸用气体净化装置、烟草降害以及封闭体系(如:飞机,潜艇,航天器等)中微量CO的消除等方面都有重要的应用前景[5,6].另外在燃料电池研究中,通过低碳醇和烃类部分氧化或水蒸气重整制得的富氢气常含有约0.5～3%(mol)的CO,其存在不但会引起燃料电池电极中毒而且还会与H2竞争与氧的反应,…     

钴和钾对Pt/γ-Al2O3上CO选择性氧化的助催化作用

 添加Co或/和K助催化剂可在不同程度上改善Pt/γ-Al2O3催化剂对富氢气氛下CO选择性氧化的性能. 利用H2-TPR,CO-TPD和FT-IR等表征手段,探讨了不同助催化剂的作用机理. 结果表明,Co/Pt/γ-Al2O3能显著降低富氢气氛下CO选择性氧化的温度,主要原因是Co与Pt的相互作用使Pt的电子性能发生了改变,从而削弱了Pt对CO的吸附,使催化剂表面CO的线式吸附消失; Co的添加还促进了易分解的碳酸氢盐物种的生成,同时未完全还原的CoOx物种可提供活性氧促进CO的转化. 助催化剂K一方面促进了Pt向CO反馈电子,从而活化吸附的CO,提高了催化剂的低温活性;另一方面促进了难分解的甲酸盐物种的生成,从而抑制了部分活性位,需要更高的反应温度,而较高温度下会发生氢气氧化反应的竞争,使CO选择性氧化反应的活性和选择性受到影响. 同时添加K和Co的催化剂中,K可促进CoOx的还原,使Co与Pt的相互作用变弱,即减弱了Co对Pt的助催化作用, 因此虽然其选择性有所改善,但活性介于单独添加Co或K的催化剂之间.     

碳纳米管负载Cu-Co复合氧化物的富氢气氛中CO催化消除

采用超声处理辅助浸渍法制备了多壁碳纳米管负载的Cu-Co复合氧化物催化剂. 利用XRD、TEM、H2-TPR、XPS和Raman光谱等表征了催化剂的结构性质. 在Cu和Co氧化物以及金属氧化物与碳纳米管载体间存在强相互作用. 催化剂在富氢气氛中CO催化消除反应中,与单一Cu或Co催化剂相比,Cu-Co复合氧化物催化剂表现出独特的反应特性,特别是在较高反应温度下可同时结合CO优先氧化和CO甲烷化的反应途径来实现高效CO消除. 当Cu/Co比为1/8时活性最优,可以实现在150-250℃和高反应空速 （120 L/（h·g））富氢气氛中CO的完全消除.     

氧化铈气凝胶担载的铜催化剂对氢气中一氧化碳选择氧化的催化性能

以超临界干燥法制备了氧化铈气凝胶,并以此为载体用浸渍法制备了铜催化剂.利用色谱流动反应法进行了活性测试,测试表明该催化剂对于富氢气氛中的CO选择性氧化具有较高的催化活性和较好的选择性,其中CuO的负载量为12.23% (质量分数)的催化剂对CO氧化的催化活性最高,且该催化剂在低空速下具有较好的抗H2O和抗CO2性能.     

非贵金属催化剂用于CO选择性氧化脱除的研究

以Co和Ni为催化剂活性组分、活性炭为载体,通过饱和浸渍法制得非贵金属催化剂,采用XRD、SEM和TPD对催化剂性能进行表征,考察了该催化剂用于富氢气中CO选择性氧化活性及H₂O或/和CO₂对催化性能的影响。研究结果表明,催化剂以NiO和高分散的Co₃O₄为主要物相,催化剂吸附O₂的能力随着金属氧化物负载量的增加而增加,且催化剂对O₂分子的吸附能力明显强于CO₂分子。金属氧化物负载量为35%的催化剂表现出较高的CO选择性氧化活性和选择性,在低于473K时O₂氧化选择性达50%以上,此时可将CO浓度降到40×10^-6以下,达到燃料电池对氢燃料气的要求。同时,催化剂表现出较强的抗水蒸气和CO₂的能力。     

生物质气化重整合成二甲醚

以松木粉为原料，采用空气 水蒸气气化制备了富氢气化气，通过添加甲烷重整富氢气化气，调整了合成气化学当量比，在260 ℃、4 MPa、12 000 h－1条件下，对生物质合成气一步法合成二甲醚进行了实验研究。结果表明：引入甲烷重整，活化了富氢气化气中过量的CO2，甲烷的最佳加入量为CH4/CO2=1，生物质碳转化率达到70%以上，尾气中二甲醚选择性达到69.6%。     

一氧化碳低温催化氧化

一氧化碳 (CO) 催化氧化反应因在实际生活中应用广泛而受到人们普遍关注,如激光器中微量CO的消除、封闭体系中CO的消除、汽车尾气净化以及质子交换膜燃料电池中少量CO的消除等。本文总结了近年来CO低温催化氧化研究进展,包括催化剂及其制备方法、CO氧化反应机理以及不同环境气氛对催化剂CO低温氧化性能的影响。催化剂的制备方法主要包括传统浸渍法、共沉淀法、沉积-沉淀法、溶胶-凝胶法、离子交换法、化学气相沉积法、溶剂化金属原子浸渍法等。催化剂可分为贵金属催化剂、非贵金属催化剂、以分子筛为载体的催化剂和合金催化剂等。CO氧化反应机理方面的相关报道较多,人们针对不同催化剂体系提出了各种假设。不同环境气氛对催化剂CO低温氧化性能的影响主要分为H₂O、CO₂、H₂和其它气氛等4部分进行描述。最后对该领域的发展前景进行了展望。     

氧化铈促进的高效Au/Al2O3催化剂制备及其催化CO选择氧化反应性能

近年来,伴随全球能源危机的加剧,以及温室效应和细颗粒物等一系列环境问题出现,各国研究者正努力寻求和开发可持续利用的新能源来代替传统的化石能源.燃料电池具有能量转化效率高、对环境排放低和污染小等优点,作为一种新的环境友好型技术而广受关注.在众多的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有能量效率高和工作窗口温度
　　低等优势而备受关注.但是, PEMFC燃料以H2为主,主要来源是烃类的重整气,但其中痕量的CO (10 ppm)将会引起Pt电极中毒,导致PEMFC性能迅速下降,因此如何有效地祛除富氢气体中的CO并尽可能减少H2的消耗具有重要研究价值.目前, CO选择氧化法(CO-PROX)是公认的最简单、廉价和有效的办法之一. CO的消除通常选用霍加拉特催化剂,虽然Cu基催化剂具有低廉的成本和较好的CO催化氧化性能,但是当反应中有H2O和CO2存在时,其活性会迅速下降. Au催化剂具有优异的低温CO催化氧化性能,但在PEMFC的工作温度窗口为80–120oC时,随着反应温度提高, H2与CO之间的竞争吸附变强,采用单组分Au催化剂难于在80–120 oC内使CO完全氧化.因此,设计并制备高效的Au催化剂来提高其在PEMFC工作温度(80–120 oC)条件下CO-PROX反应活性和选择性仍然是目前该方向的难点.氧化铈(CeO2)是一种重要的稀土化合物,由于Ce具有独特的4f电子层结构, Ce3+/Ce4+在一定条件下可以相互转化,具有较高的储放氧能力,即能够在富氧条件下储存氧,在贫氧条件下释放氧. CeO2是一种重要的氧化反应催化剂载体,是三效催化剂的主要组成部分,在净化汽车尾气方面稀土元素具有独特的优势,广泛应用于CO氧化和NOx消除等领域中.最近,本课题组以自制的氧化铝为载体,制备了K掺杂的Au-Cu/Al2O3催化剂,其在CO-PROX反应中具有较好的催化活性和稳定性.本文在此基础上,利用Au与CeO2之间的相互作用,制备了CeO2掺杂的Au/CeO2/Al2O3催化剂和K掺杂的Au-Cu/CeO2/Al2O3催化剂.表征结果发现,催化剂中Au和Au-Cu纳米粒子的尺寸均一,平均粒径分别为2.4±0.4和2.8±0.4 nm.与Au/Al2O3催化剂相比, Ce掺杂的Au催化剂具有更高的金属分散度,拓宽了其CO完全转化时的反应温度窗口(30–70 oC).对所制备的Au催化剂进一步通过拉曼光谱、H2程序升温还原和CO-红外光谱等手段分析和CO-PROX催化性能测试,可以证实Au-Cu/CeO2/Al2O3催化剂中各组分在CO-PROX反应中所起的作用.结果表明, CeO2的掺杂能增强活性组分与载体之间的相互作用,有助于提高Au-Cu纳米粒子的分散度,此外还能提高Au催化剂的还原性能,其表面形成的氧空位提高了CO-PROX反应的催化性能. Cu物种的引入显著增强了CO在Au催化剂上吸附能力.综上所述, CeO2组分对Au/Al2O3催化剂的促进作用体现在：(1)有效锚定Au和Au-Cu纳米粒子;(2)提供CO-PROX反应中的活性氧物种.     

Spontaneous oscillations of cell voltage, power density, and anode exit CO concentration in a PEM fuel cell

The spontaneous oscillations of the cell voltage and output power density of a PEMFC (with PtRu/C anode) using CO-containing H(2) streams as anodic fuels have been observed during galvanostatic operating. It is ascribed to the dynamic coupling of the CO adsorption (poisoning) and the electrochemical CO oxidation (reactivating) processes in the anode chamber of the single PEMFC. Accompanying the cell voltage and power density oscillations, the discrete CO concentration oscillations at the anode outlet of the PEMFC were also detected, which directly confirms the electrochemical CO oxidation taking place in the anode chamber during galvanostatic operating.     

Effect of pretreatment methods on the performance of Cu-Zr-Ce-O catalyst for CO selective oxidation

The Cu-Zr-Ce-O catalysts prepared using the coprecipitation method exhibited better catalytic performance for CO selective oxidation. The Cu-Zr-Ce-O catalysts pretreated with different methods were studied by CO-TPR and XPS techniques. The results showed that the Cu-Zr-Ce-O catalyst pretreated with oxygen exhibited the best catalytic performance and had the widest operating temperature window, with CO conversion above 99% from 160 to 200 ℃. The O2 pretreatment caused an enrichment of the oxygen storaged on the Cu active species and promoted the conversion of adsorbed oxygen into surface lattice oxygen. It also improved the amount of Cu＋/Cu^2＋ ionic pair, and then facilitated the formation of CuO active species on the catalyst for selective CO oxidation.     

ZnO纳米线负载Pd1单原子催化剂催化若干反应性能的考察

将孤立的Pd原子分散到ZnO纳米线(NWs)上作为单原子催化剂(SACs),并考察了它们在若干反应中的催化性能.Pd1/ZnO SAC对甲醇蒸汽重整制氢反应表现出高的活性、稳定性和CO2选择性.该催化剂体系对CO和H2的氧化也具有高活性,但在富氢物料中CO优先氧化反应中的催化剂性能较差,这主要是由于在ZnO负载的Pd1原子上H2氧化的强竞争反应所致.常压下在Pd1/ZnO SAC上就可发生逆水汽变换反应.该系列催化反应测试结果清楚地表明,选择合适金属与载体对开发分子催化转化用单原子催化剂至关重要.     

CO Selective Oxidation in Hydrogen-Rich Gas over Copper-Series Catalysts

The performances of CO selective oxidation in hydrogen-rich gas over four catalytic systems of CuO/ZrO2, CuO/MnO2, CuO/CoO and CuO/CeO2 were compared. The reducibility of these catalysts and the effect of CuO and CeO2 molar ratio of CuO/CeO2 catalysts on the activity of selective CO oxidation are investigated by XRD and TPR methods. The results show that the catalysts with the exception of CuO/ZrO2 have the interactions between CuO and CoO, CeO2 or MnO2, which result in a decrease in the reduction temperature. Among the catalysts studied, CuO/ZrO2 catalyst shows the lowest catalytic activity while CuO/CeO2 catalyst exhibits the best catalytic performance. The CuO(10%)/CeO2 catalyst attains the highest CO conversion and selectivity at 140 and 160℃. The addition of 9% H2O in the reactant feed decreases the activity of CuO/CeO2 catalyst but increases its CO selectivity.     

高分散隔离活性位催化剂中过渡金属离子结构对丙烷选择氧化反应性能的影响

考察了碱金属K修饰的SiO2负载极低含量过渡金属的高分散隔离活性位系列催化剂(K-M/SiO2(n(K)∶n(M)∶n(Si)=10∶1∶1000),M=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)的丙烷选择氧化催化性能,并运用UV-Raman和CO2-TPD等方法,对该系列催化剂进行了结构和物化性能表征,探讨了催化剂的表面离子结构与催化反应性能之间的关系。 发现钾修饰的SiO2负载过渡金属高分散隔离活性位催化剂上过渡金属离子的组态结构,对丙烷选择氧化反应性能有重要影响。相对稳定的全充满或无d电子的表面离子结构有利于选择氧化反应进行,而存在多种价态的相对不稳定的离子结构有利于深度氧化的进行。 这一离子结构与丙烷选择氧化催化性能的关系与前期乙烷选择氧化规律相似,进一步说明在高分散隔离活性位催化剂中,过渡金属离子的电子组态结构是影响低碳烷烃选择氧化反应性能的最重要因素。     

CO2选择性氧化乙苯制苯乙烯

本文评述了近年来国内外利用温室气体CO₂选择性氧化乙苯制苯乙烯的研究进展.和乙苯直接脱氢法相比,新工艺不仅能降低反应温度,大幅度降低能耗,还能在一定程度上抑制催化剂的失活.氧化铝负载的Fe系催化剂和活性炭负载的La等过渡金属改性的V系催化剂具有较好的催化活性.CO₂对乙苯脱氢的显著促进作用要归因于金属氧化物催化剂的氧化还原机制以及乙苯脱氢和逆水煤气变换反应耦合的协同作用.尽管新工艺显示了良好的应用前景,但在将来的研究工作中还要强化催化剂失活机理的研究,开发新型高效催化剂并对新工艺的成本进行详细的评估。     

丙烷直接合成烃类氧化物的进步与发展*

结合丙烷氧化反应的热力学和动力学特点,从催化剂选择氧化反应技术应用方面,评述了近年来丙烷选择氧化直接合成烃类氧化物技术的进步和发展趋势.提出了利用二氧化碳作氧化剂、n-p复合型半导体材料作催化剂,并借助光表面催化反应技术来直接合成烃类氧化物的新思路,以期进一步扩大丙烷和二氧化碳利用的范围和途径.