[發明專利]一種水汽變換催化劑及制備和應用

有效

• 申請號: 201811416142.0
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN111215076B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 唐南方;叢昱;商慶浩;陳帥;吳春田;許國梁
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/755
• 分類號: B01J23/755;C01B3/16
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種高溫水汽變換催化劑及其制備方法。該催化劑為Ni?Fe超薄二維納米片狀結構，Ni與Fe的摩爾比為2:1～4:1。該催化劑應用于水汽變換反應中，在溫度為400～600℃區間內表現出很高的水汽變換活性，CO轉化率接近熱力學平衡轉化率。此外，該催化劑具有較高的結構強度和穩定性。

技術領域

本發明涉及一種高溫水汽變換催化劑及其制備方法。該催化劑為Ni-Fe復合氧化物，其形貌為超薄二維納米片狀，Ni與Fe的摩爾比為2:1～4:1。該催化劑應用于高溫水汽變換反應中表現出很高的水汽變換活性，CO轉化率接近熱力學平衡轉化率。此外，該催化劑具有優異的結構強度和穩定性。

背景技術

化石能源的清潔、可持續性利用是當前能源研究的熱點之一。燃料電池是一種能夠持續將化學能轉化為電能的能量轉換裝置，具有高效、環境友好等優勢，引起世界各國能源領域研究者的廣泛關注。然而，氫源技術已成為限制燃料電池汽車大規模商用的技術瓶頸之一。目前，燃料電池中的氫氣仍由化石燃料制氫、化工副產品中提取氫等方式獲取。然而，由于氫氣熔點很低，實現氫氣的液態化很難，需要極高壓條件下進行。此外，液態氫還會與金屬容器反應生成氫化物，降低氫氣的純度，也存在較高的安全隱患。新型儲氫容器材料的開發仍處于實驗室研究階段。因此，氫氣的儲存和運輸制約著燃料電池氫源的供應。為了消除氫氣的儲存和運輸的限制，國內外都在積極開發燃料電池現場制氫技術。碳氫燃料重整制氫在經濟性和安全性等方面都極具優勢，成為燃料電池現場制氫技術研究的熱點。然而，該過程不可避免的地生成大量的CO。CO會導致燃料電池中鉑電極不可逆中毒，在其進入電池系統前必須將其濃度降至可承受的限度以下。此外，CO可以通過水汽變換反應轉化為氫氣，進一步提高能量利用效率。

燃料電池中制氫系統中水汽變換反應催化劑裝填區域處于變溫環境，溫度區間通常為200～600℃。為了充分利用空間，需要催化劑能適應較高的反應溫度(如400～600℃)。工業水汽變換反應中采用的鐵系(Fe-Cr)高溫變換催化劑的通常應用于最高350℃反應溫度下，在更高的反應溫度下，Fe-Cr催化劑的活性下降比較顯著。此外，成型的Fe-Cr催化劑在高溫的操作條件下(400℃以上)容易破碎粉化，堵塞后部的燃料電池進氣系統。Fe-Cr催化劑中的Cr₂O₃還會對人類和動、植物造成極大的危害，導致嚴重的環境問題。因此，亟需開發新型能適應燃料電池制氫系統中高溫操作條件的水汽變換催化劑。

發明內容

本發明旨在提供一種應用于高溫水汽變換反應催化劑(如400～600℃)，該催化劑為Ni-Fe復合氧化物，其形貌為超薄二維納米片狀，Ni與Fe的摩爾比為2:1～4:1。該催化劑應用于高溫水汽變換反應中表現出很高的水汽變換活性和穩定性。

基于上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于高溫水汽變換反應的催化劑，催化劑的組成為Ni-Fe化合物，催化劑的形貌為超薄二維納米片。

兩種活性組分的摩爾比為：Ni：Fe＝2:1～4:1

一種用于高溫水汽變換反應催化劑的制備方法，包括：

(1)將Ni鹽、Fe鹽溶于超純水中配成混合溶液；

(2)將NaOH、Na₂CO₃溶于超純水中配成堿溶液；

(3)室溫下，將步驟(1)和步驟(2)中兩種溶液混合均勻，劇烈攪拌10min；

(4)將步驟(3)中得到的溶液轉移至水熱釜中，然后水熱處理36～72小時；

(5)將步驟(4)中得到的固體物質濾出，分別用水和乙醇洗滌3次，然后干燥；

(6)在惰性氣氛下，等離子體反應器中處理步驟(5)中得到的固體物質，獲得超薄二維納米片狀NiFe催化劑。