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铜铈水煤气变换催化剂的制备及其构效关系研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-19 03:23:53
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铜铈水煤气变换催化剂的制备及其构效关系研究【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)对变换反应催化剂提出了新的要求。CuO/CeO2催化剂表现出优异的变换性能,且与贵金属催化剂相比

【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)对变换反应催化剂提出了新的要求。CuO/CeO2催化剂表现出优异的变换性能,且与贵金属催化剂相比价格低廉,因而倍受研究者的关注。但铜铈催化剂要想真正用于燃料电池体系,活性和稳定性仍需改善。本论文详细研究了制备方法和制备参数对CuO/CeO2催化剂WGS性能的影响,利用XRD、N2物理吸附、TPR、TPD、Raman及SEM-EDS等技术对催化剂的结构进行了表征,在优化的制备条件下,首次引入表面活性剂PEG,系统地研究了催化剂制备过程中不同分子量的PEG及其浓度对所制备催化剂的结构和活性的影响,并分析了PEG改善CuO/CeO2催化剂前驱物分散性的作用机制。另外,我们还研究了运行条件对CuO/CeO2-Al2O3催化剂WGS活性的影响,为其实际应用提供参考数据。具体成果如下: (1)考察制备方法对CuO/CeO2催化剂性能的影响,发现共沉淀法是首选的方法,该制备方法有利于获得较小的CuO、CeO2晶粒尺寸,较大的比表面积、孔容和孔径以及更好的还原性能,从而获得活性和稳定性较高的CuO/CeO2催化剂。 (2)考察了沉淀温度、焙烧条件和沉淀物洗涤方法等制备参数对共沉淀法合成CuO/CeO2催化剂结构和性能的影响,确定较优的制备参数为:80℃沉淀合成,沉淀物水洗后直接干燥,450℃焙烧4h。 (3)系统地研究了合成过程中引入PEG所制备的CuO/CeO2催化剂的构效关系,结果发现PEG的浓度是权重因素。PEG主要是通过空间位阻作用来改善前驱物的分散性,当PEG浓度接近临界胶束浓度时,前驱物的分散性最好,团聚程度最小,得到的催化剂活性最优。建议使用的PEG及其相应浓度如下:PEG-6000(3.0g·L-1),PEG-10000(5.0g·L-1)或PEG-20000(10.0g·L-1)。 (4)初步探讨了不同价态的铈源对CuO/CeO2催化剂WGS活性的影响,结果表明以三价铈为铈源合成的催化剂具有更大的比表面积和孔容,还原性能更好,CuO和CeO2间相互作用更强,使其WGS活性优于以四价铈为铈源制备的催化剂。 (5)考察了不同工艺参数对CuO/CeO2-Al2O3催化剂WGS活性的影响,确立了较优的反应条件:空速为3000h-1,水碳比为2.4~4,反应温区为250~350℃。 【关键词】:CuO/CeO2催化剂 水煤气变换反应 PEG 共沉淀法 运行条件
【学位授予单位】:福州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ426
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-6
  • 目录6-9
  • 第一章 前言9-28
  • 1.1 研究背景9-11
  • 1.2 研制新型 WGS 催化剂的意义11-12
  • 1.3 铈基 WGS 催化剂的研究状况12-25
  • 1.3.1 贵金属型铈基 WGS 催化剂13-17
  • 1.3.1.1 Au/CeO_2催化剂13-15
  • 1.3.1.2 Pt 系 CeO_2基催化剂15-17
  • 1.3.2 非贵金属型铈基 WGS 催化剂17-22
  • 1.3.2.1 制备方法与参数17-19
  • 1.3.2.2 助剂改性19-21
  • 1.3.2.3 双金属催化剂21-22
  • 1.3.2.4 动力学分析22
  • 1.3.3 铈基 WGS 催化剂的反应机理22-25
  • 1.4 本论文的选题依据及研究内容25-28
  • 1.4.1 选题依据25-27
  • 1.4.2 研究内容27-28
  • 第二章 实验方法28-36
  • 2.1 主要试剂与钢瓶气体28-29
  • 2.2 主要实验仪器与设备29
  • 2.3 催化剂的制备与性能评价29-30
  • 2.4 催化剂性能评价30-34
  • 2.4.1 铜铈催化剂性能测评装置30-31
  • 2.4.2 铜铈催化剂活性稳定性测评31-32
  • 2.4.3 计算公式与分析32-34
  • 2.4.3.1 CO 转化率计算32
  • 2.4.3.2 CO 平衡转化率计算32-33
  • 2.4.3.3 汽气比的计算33-34
  • 2.5 催化剂的表征方法34-36
  • 2.5.1 X 射线粉末衍射(XRD)34
  • 2.5.2 BET 比表面和孔结构测定34
  • 2.5.3 H_2程序升温还原(H_2-TPR)34-35
  • 2.5.4 程序升温脱附(TPD)35
  • 2.5.5 共焦显微拉曼光谱分析(Raman)35
  • 2.5.6 红外光谱(IR)35
  • 2.5.7 场发射扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)35
  • 2.5.8 热重(TG)35-36
  • 第三章 制备方法对 CuO/CeO_2催化剂水煤气变换性能的影响36-45
  • 3.1 引言36
  • 3.2 催化剂制备36-37
  • 3.3 结果与讨论37-43
  • 3.3.1 XRD 表征分析37-40
  • 3.3.2 催化剂的织构性能40-41
  • 3.3.3 H_2-TPR 结果41-42
  • 3.3.4 催化剂的催化性能42-43
  • 3.4 小结43-45
  • 第四章 部分制备参数对 CuO/CeO_2催化剂水煤气变换性能的影响45-64
  • 4.1 引言45-46
  • 4.2 实验内容46-47
  • 4.3 沉淀温度对 CuO/CeO_2催化剂变换性能的影响47-54
  • 4.3.1 催化剂的活性和稳定性评价结果47-48
  • 4.3.2 催化剂的物相组成分析48-51
  • 4.3.3 BET 比表面和孔结构51-52
  • 4.3.4 H_2-TPR 表征52-53
  • 4.3.5 Raman 表征53-54
  • 4.4 焙烧条件对 CuO/CeO_2催化剂变换性能的影响54-59
  • 4.4.1 焙烧温度的影响54-58
  • 4.4.1.1 表面织构参数54-55
  • 4.4.1.2 物相组成测定55-56
  • 4.4.1.3 H_2-TPR 表征56
  • 4.4.1.4 WGS 催化性能56-58
  • 4.4.2 焙烧时间的影响58-59
  • 4.5 沉淀物洗涤方式对 CuO/CeO_2催化剂变换性能的影响59-63
  • 4.6 小结63-64
  • 第五章 PEG 改性的 CuO/CeO_2催化剂的合成、表征及水煤气变换性能的研究64-74
  • 5.1 引言64-65
  • 5.2 催化剂制备65
  • 5.3 结果与讨论65-73
  • 5.3.1 不同分子量和用量的 PEG 制备的 CuO/CeO_2催化剂的 WGS 活性65-66
  • 5.3.2 XRD 表征66-67
  • 5.3.3 织构表征67
  • 5.3.4 H_2-TPR 表征67-68
  • 5.3.5 SEM-EDS 表征68-70
  • 5.3.6 PEG 提高前驱物颗粒分散性的作用机制70-73
  • 5.4 小结73-74
  • 第六章 不同价态的铈源对 CuO/CeO_2催化剂水煤气变换性能的影响74-81
  • 6.1 引言74
  • 6.2 催化剂制备74-75
  • 6.3 结果与讨论75-80
  • 6.3.1 WGS 活性的影响75-76
  • 6.3.2 催化剂的结构表征分析76-78
  • 6.3.3 H_2-TPR 表征78-79
  • 6.3.4 CO_2-TPD 和 CO-TPD 表征79-80
  • 6.4 小结80-81
  • 第七章 操作条件对 CuO/CeO_2-Al_2O_3变换催化剂活性的影响81-86
  • 7.1 引言81
  • 7.2 催化剂制备及性能测试81-82
  • 7.3 结果与讨论82-85
  • 7.3.1 反应温度对催化剂 WGS 活性的影响82
  • 7.3.2 空速对催化剂 WGS 活性的影响82-83
  • 7.3.3 水碳比对催化剂 WGS 活性的影响83-84
  • 7.3.4 原料气组成对催化剂 WGS 活性的影响84-85
  • 7.4 小结85-86
  • 结论86-88
  • 参考文献88-99
  • 致谢99-100
  • 个人简历100
  • 在学期间已发表和录用的论文100


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