溶胶－凝胶法制备CeO2负载CuO低温CO氧化催化剂 Low-Temperature CO Oxidation on CuO/CeO2 Catalyst Prepared by Sol-Gel Method

Ceria is widely used as a promoter in “three-way catalysts“ (TWC). The promotion effect of ceria was originally supposed to be in the structural aspects and chemical ones. Precious metals are widely used for exhaust gas emission control. However, because the high cost of precious metals and their sensitivity to sulfur poisoning, attention has been given to nonprecious metal catalysts such as copper oxide.     

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.     

微乳液法制备的CuO-CeO2/Al2O3/FeCrAl整体式催化剂催化CO优先氧化反应

采用微乳液法将CuO-CeO2负载于FeCrAl整体式载体上,以超声波和热振荡考察了催化剂在载体表面的粘附稳定性,并测试了CuO-CeO2/Al2O3/FeCrAl整体式催化剂对一氧化碳优先氧化反应的催化性能.使用扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线光电子能谱等手段对所制备的催化剂进行了表征.结果表明,CuO-CeO2可以以良好的稳定性粘附于FeCrAl载体表面,且以纳米粒子形式在载体表面分布均匀.载体对催化剂的化学状态没有显著影响,制得的整体式催化剂对一氧化碳优先氧化具有较高的催化活性和高选择性,并且有良好的稳定性.     

0,1,3维CeO2的可控制备及CuO/CeO2催化剂上CO氧化反应

以水、乙醇和乙二醇为溶剂,采用溶剂热法可控制备了0,1,3维CeO2.结果表明,0维CeO2由0.2～0.5 μm纳米粒子组成;1维CeO2是直径为25～30 μm,长约500 μm的六方棒;松针型的3维CeO2是由以纳米粒子为单元构成的直径为1～5 μm,长约50 μm的光滑棒组成,其比表面积高达234 m2/g.将...     

不同CuO/CeO2催化剂上CO低温氧化反应

 分别用热解硝酸铈法和浸渍法制备了不同物性的CeO2粉体和相应的CuO/CeO2催化剂,并用XRD, HRTEM和TPR等对样品进行了表征,利用微反-色谱装置考察了其催化CO低温氧化的活性. 结果表明,热解温度影响CeO2的物性(形貌、粒度大小及分布等). 相同条件下,不同物性的CeO2载体上CuO的负载情况不同, 500 ℃热解获得的CeO2载体上非晶态CuO负载量最高,相应的CuO/CeO2催化剂活性也较高. 非晶态CuO一部分进入CeO2晶格,另一部分高度分散于CeO2表面上. 焙烧温度较低时(≤ 600 ℃), 催化剂活性受焙烧温度的影响较小,而高温(800 ℃)焙烧后,催化剂则因载体粒度增大和CuO烧结团聚等因素导致催化活性明显降低.     

氧化铈在非贵金属氧化物催化剂中的作用——NO+CO反应

本文运用微反技术考察了Cu、Fe、Mn、Cr和Ce等负载型(γ-Al_2O_3载体)氧化物对NO+CO→(1/2)N_2+CO_2反应的催化活性,研究了Ce加入Cu基双组元催化剂对NO+CO反应的催化活性和中间物N_2O生成的影响。结果表明,单元氧化物的催化活性顺序为:CuO>Fe_2O_3≈Cr_2O_3>MnO_2>CeO_2>NiO;Cu基双组元氧化物的催化活性明显优于CuO,而Cu-Fe-O的活性优于Cu-Mn-O和Cu-Cr-O;Ce加入双元催化剂后均能改善其催化性能,加速N_2O的生成速度。N_2O是NO+CO→(1/2)N_2+CO_2的中间产物。     

制备方法及焙烧温度对Co3O4/CeO2催化剂上CO低温氧化反应的影响

 分别采用沉淀氧化法、均匀沉淀法及络合燃烧法制备了Co3O4/CeO2复合氧化物催化剂,并在干燥及湿气条件下进行了CO氧化反应. 结果表明,采用沉淀氧化法经538 K焙烧制得的Co3O4/CeO2催化剂具有优异的CO低温氧化活性和较高的抗湿性能. 在196 K条件下,该催化剂上CO氧化的转化率为99%, 并且可连续保持400 min以上; 当温度上升到298 K时,经过 2400 min反应后, CO的转化率仍可达到94%; 当反应气中含3.1%湿气,温度为383 K时,经过2400 min反应后, CO的转化率仍保持在79%. 实验表明, Co3O4/CeO2催化剂的制备方法及焙烧温度对Co3O4与CeO2之间的相互作用有显著的影响,进而影响催化剂催化CO低温氧化的活性.     

用于CO选择氧化反应的新型Pt-Fe/Al2O3催化剂

 基于前体的概念,采用调变多元醇法制备了Pt-Fe/Al2O3催化剂,并考察了其催化CO选择氧化的性能. TEM结果表明,该方法可有效控制催化剂的金属粒子粒径为2.5～3 nm; 催化剂性能测试结果表明,在80 ℃和n(CO)/n(O2)=2的条件下,Pt-3Fe/Al2O3显示出良好的催化性能和稳定性,CO转化率达99%,CO2选择性达98%,这可能是由于Pt和Fe之间的有效相互作用所致.     

CuxCe1-xO2-x/SiO2催化剂上Co催化氧化及反应活化能

以SiO2为载体,利用共浸渍法制备了不同Cu、ce摩尔比和含量的CuxCe1-xO2-x/SiO2(x-0～1)催化剂,在消除内、外扩散的条件下,评价了催化剂的CO催化氧化活性,求取了反应的活化能,并对催化剂的结构进行了表征.结果表明,CuxCe1-xO2-x/SiO2催化剂的活性和反应活化能与Cu、Ce摩尔比和CuxCe1-xO2-x含量都有关系,其中Cu、ce摩尔比为1:1的25%Cu0.5,Ce0.5,O1.5/SiO2催化剂具有最好的催化活性和最低的反应活化能,CO能够在169℃时完全转化,反应的活化能为56.1 kJ/mol.对于Cu0.5Ce0.5O1.5系列催化剂,活性组分含量较低时,催化剂的物相主要是CuO-CeO2固溶体,含量大于35%时开始有CuO物相生成.对于不同Cu、Ce摩尔比的催化剂,Cu摩尔含量较高时主要是CuO物相,Cu摩尔含量较低时主要是CuO-CeO2固溶体和CeO2物相.活性组分Ce和Cu之间、活性组分和载体之间存在着一定的相互作用,其对催化剂的活性和反应活化能有一定的影响.     

固相浸渍法和湿浸渍法制备CuO/CeO2催化剂及其CO氧化性能的对比研究

采用固相浸渍法和常规湿浸渍法制备了一系列CuO/CeO₂催化剂,并结合X射线衍射（XRD）、氢气-程序升温还原（H₂-TPR）、激光拉曼光谱（LRS）、原位漫反射红外光谱（in situ DRIFTS）、X射线光电子能谱（XPS）等手段考察了制备方法对催化剂结构性质及其在CO氧化反应中性能的影响. XPS和H₂-TPR结果表明,固相浸渍法更有利于得到高分散的铜物种,并促进CuO物种的还原. LRS结果表明,相比于湿浸渍法,固相浸渍法能产生更多氧空位,而这些氧空位可以活化参与反应的O₂. CO氧化活性测试结果表明,当铜负载量相同时,固相浸渍法制备的催化剂相比于湿浸渍法表现出更好的催化性能. 结合多种表征结果发现,催化剂CO氧化性能与其表面氧空位和Cu⁺-CO浓度紧密相关,提出了CuO/CeO₂催化剂在CO氧化反应中可能的协同作用机制.     

Au/CuxMnyOz催化剂的制备、表征及其CO消除性能

采用溶胶一凝胶法制各了新型CuxMnyOz:复合氧化物,并利用沉积-沉淀法制各了1%Au/CuxMnyOz:系列催化剂样品,在富H2条件下评价了该催化剂在CO选择性氧化反应和水煤气变换(WGS)反应中的催化性能,结果发现,极少量Au的负载使得CuxMnyOz复合氧化物不仅具有良好的CO氧化活性和选择性,而且在WGS反应...     

Preferential oxidation of CO in excess H2 over CeO2/CuO catalyst:Effect of calcination temperature

Different from the classical configuration CuO/CeO2 catalyst,the inverse configuration CeO2 /CuO catalyst (atomic ratio of Ce/Cu=10/100) was prepared by impregnation method.Five calcination temperatures were selected to investigate the interaction between CeO2 and CuO support.It is found that as calcination temperature increased from 500 to 900 C,sintering of CeO2 particles on the support occurred together with the diffusion of a portion of Ce 4+ ions into CuO crystals,forming solid solution.Formation of interface complex Ce-O-Cu was suggested by TPR measurements.The catalyst calcined at 700 C gives the highest activity for preferential oxidation of CO in excess H2 stream.     

Pt/Al2O3涂层金属蜂窝催化剂的制备及其CO选择性氧化催化性能

将孔密度为400cells/in2的Fe-20Cr-5Al金属蜂窝基体经过高温氧化后,负载Al2O3涂层,再浸渍贵金属铂,制备出用于CO选择性氧化的Pt/Al2O3涂层金属蜂窝催化剂.金属蜂窝基体经过900℃高温氧化10h后,表面呈现钉针状结构,这种结构可以提高基体与Al2O3涂层的相容性.最佳的Al2O3涂层负载顺序为乳胶-溶胶-乳胶.在120℃时,Pt/Al2O3涂层金属蜂窝催化剂的CO选择性氧化反应活性和选择性分别为54.0%和42.5%,为相同条件下陶瓷蜂窝催化剂的1.7和1.4倍.     

制备方法对CuO-CeO2/Al2O3/FeCrAl整体催化剂结构、粘附稳定性和催化性能的影响

 采用浸渍法、粉末涂覆法、沉积沉淀浸渍法、溶胶高温分解法、原位溶液燃烧法和微乳液法制备了 CuO-CeO2/Al2O3/FeCrAl 整体催化剂, 并运用扫描电镜、X 射线衍射、程序升温还原、超声波振动和热振荡等手段研究了制备方法对活性组分的负载及其分布、催化剂结构、粘附稳定性和催化 CO 优先氧化反应性能的影响. 结果表明, 溶胶高温分解法、原位溶液燃烧法和微乳液法制备的整体催化剂表现出较好的催化 CO 优先氧化反应性能和较高的粘附稳定性.     

Au/Fe2O3催化剂的制备及其对富氢气体中一氧化碳选择性氧化的催化性能

 采用共沉淀法制备了1.5%Au/Fe2O3催化剂,考察了加料方式对Au/Fe2O3催化剂化学组成及其催化富氢气体中CO选择性氧化性能的影响. 结果表明,正加法制备的Au/Fe2O3催化剂的性能明显好于反加法制备的催化剂,80 ℃时前者对富氢气体中CO选择性氧化反应的转化率为94%,CO2选择性为65%,连续反应10 h,催化剂活性没有变化. XRD,XPS和TEM等的测试结果表明,正加法制备的Au/Fe2O3催化剂中金粒子的平均粒径为2～4 nm,金粒子高度分散在载体上,并与载体之间发生了较强的相互作用,从而表现出较高的催化性能.     

CoOx/CeO2催化剂上的CO低温氧化反应

 采用沉淀氧化法制备了CoOx/CeO2催化剂, 并分别在干燥和含有水汽的原料气中进行了CO的氧化反应. 结果发现, CoOx/CeO2复合氧化物催化剂具有良好的CO低温氧化活性和抗水性. 在干燥的原料气中和196 K的条件下,该催化剂催化氧化CO的转化率可连续400 min以上保持在99%; 当温度升高到298 K反应 2400 min后, CO的转化率可达到94%. 而当反应气中含有3.1%的水汽时, 在383 K下反应2400 min后, CO的转化率仍可保持在79%.     

Effect of Copper Substitution and Preparation Methods on the LaMnO3 Structure and Catalysis of Methane Combustion and CO Oxidation

 LaMn1-xCuxO3刡冊 perovskite oxides (x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1) were prepared by two different methods, the Pechini and sol-gel methods. The catalysts were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), X-ray fluorescence spectroscopy, N2 adsorption, and temperature-programmed reduction. Their catalytic activity in the oxidation of methane and CO was evaluated. EDS and SEM results showed that the Pechini samples had more homogeneity and smaller particles (higher specific surface area). The catalytic activity for methane combustion was highest for x = 0.2. In CO oxidation, the oxides with x = 0.2 and x = 0.4 were the most active. The Pechini samples had higher activity and stability than the sol-gel samples.     

铜基催化剂用于一氧化碳催化消除研究进展

催化消除CO主要包括CO的完全氧化(CO-COOX)和优先氧化(CO-PROX).首先,结合本课题组的相关研究,按照催化剂体系介绍了Cu基催化剂在CO-COOX中的活性物种和组分之间的相互作用.其次,对用于富氢气氛下CO-PROX的Cu基催化剂进行了系统的分类总结,重点阐述了CuO-CeO2催化剂的制备方法、助剂改性、载体调变以及过渡金属离子掺杂(CuO/Ce1-xMxO2)、反相结构(CeO2/CuO)等方面对CO-PROX催化性能的影响.最后,总结了Cu基催化剂在CO-PROX中存在的问题,并展望了未来的研究趋势.