[发明专利]一种乙醇水蒸气重整制氢铜基纳米催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池用液体燃料乙醇水蒸气重整制氢催化剂材料技术领域，涉及一种乙醇水蒸气重整制氢催化剂及其制备方法，尤其是涉及一种以二氧化硅气凝胶为催化剂载体的铜基纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转变成电能。高纯、无毒的氢是燃料电池的理想燃料。目前，液体燃料重整是一种较好的制氢方式。

乙醇是一种可再生资源，无毒，不含易使燃料电池铂电极中毒的硫，是适合制氢的环保型燃料。乙醇水蒸气重整是乙醇制氢的重要途径。但是，乙醇水蒸气重整反应体系较复杂，可能发生的副反应有乙醇脱水、乙醇脱氢、乙醇分解、水煤气变换以及CO和CO₂加氢等。

然而，在乙醇水蒸气重整制氢工艺中，如何选择和制备一种高效的乙醇水蒸气重整制氢催化剂是的技术关键之一。迄今为止，涉及乙醇水蒸气重整的催化剂主要为：贵金属催化剂(如Rh、Pt、Ru和Pd)和非贵金属催化剂(如Ni、Co和Cu)以及氧化物催化剂。其中贵金属类催化剂具有更好的催化效果。在贵金属类催化剂中，在相同担载量下Rh比其它贵金属有更好的活性和选择性，且催化剂的性能随担载量的增加显著提高，此外，该类催化剂还具有良好的稳定性。但是贵金属成本高，在催化剂中的含量往往高达5％，且稳定性尚有待进一步提高。

氧化物催化剂(如MgO，Al₂O₃，V₂O₅，ZnO，TiO₂，La₂O₃，CeO₂，Sm₂O₃，La₂O₃-Al₂O₃，CeO₂-Al₂O₃和MgO-Al₂O₃等)具有较好的催化活性，成本低廉，但综合性能尤其是稳定性尚不佳，如Al₂O₃和V₂O₅活性很好，但选择性欠佳，ZnO对乙醇水蒸气重整具有高活性和较好的选择性，但稳定性不好。

非贵金属催化剂被认为是很有应用前景的乙醇水蒸气重整催化剂之一。该类催化剂具有高的乙醇转化率和制氢效果，但是由于催化剂载体Al₂O₃的酸性导致催化剂积炭现象较严重，稳定性较差。此外，在镍基催化剂上CH₄和CO的生成量相对较多，CH₄竞争氢原子，CO使燃料电池的Pt电极中毒，二者都是不希望得到的副产物。而钴基催化剂虽然具有较高的选择性，但容易失活，其存在的问题是稳定性差。

此外，目前主要采用浸渍法和共沉淀法来制备非贵金属催化剂，虽然制备工艺简单，但是很难获得高比表面积、高分散度和均匀分散的催化剂，导致对乙醇水蒸气重整反应的催化活性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以二氧化硅气凝胶为催化剂载体、具有较好的乙醇水蒸气重整催化活性和选择性的铜基纳米催化剂及其制备方法。

二氧化硅气凝胶具有高比表面积、超低密度以及纳米多孔网络结构的特征，被认为是理想的催化剂载体材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种乙醇水蒸气重整制氢铜基催化剂，以纳米孔二氧化硅气凝胶为载体，所述的催化剂以金属单质铜为活性组分，以Al₂O₃、ZnO、CeO₂中的一种或几种为助剂，所述的金属单质铜的形态为一维纳米线，所述的助剂形态为纳米粒子，二者均以高的分散方式均匀地分散于二氧化硅气凝胶三维网络骨架上。

所述金属单质铜形成的一维纳米线的直径为1～5nm，长度为10～100nm。

所述助剂形成的纳米粒子的直径为10～50nm。