[发明专利]一种Cu-Ti二元氧化物低温水煤气变换催化剂

说明书

技术领域

本发明属于水煤气变换工艺及催化剂技术领域，具体涉及一种Cu-Ti二元氧化物低温水煤气变换催化剂及其制备方法。

背景技术

水煤气变换反应（Water-Gas-Shift Reaction，CO + H₂O → CO + H₂）是化学工业中广泛应用的反应过程，主要用于净化合成气，为合成氨反应提供洁净的氢气来源。近年来，随着以纯氢气为燃料的质子膜燃料电池技术的发展，水煤气变换反应作为制氢过程中的重要步骤再次受到广泛关注。目前工业上普遍使用的变换催化剂有Fe-Cr系高温变换催化剂，Cu-Zn-Al系低温变换催化剂和Co-Mo系宽温耐硫变换催化剂。然而现有的三大系列变换催化剂由于体积大、遇空气自燃和预处理操作过程烦琐等缺陷无法满足燃料电池体系的要求。因此，开发新型高效的水煤气变换催化剂已成为燃料电池技术发展的迫切需要。

高效的水煤气变换催化剂需要同时具备良好的解离吸附H₂O和吸附活化CO的能力。Cu是目前报道的唯一一种可同时活化H₂O和CO的金属，尤其将Cu制备成纳米粒子时，其对水煤气变换反应的催化效率会大大提高。但是单一组分的Cu纳米粒子所表现的催化活性和稳定性依然难于满足燃料电池的要求，为此可以考虑在Cu纳米粒子周围引入特定的第二组分，利用Cu与第二组分之间的协同作用来提高催化剂催化活性和稳定性。研究表明，TiO₂表面的氧空位同样是H₂O分子发生解离吸附的重要场所，此外表面氧空位对负载金属粒子具有很强的键合作用，可以提高负载金属粒子的抗烧结能力。因此我们选择在CuO中掺入适量的TiO₂纳米粒子，试图利用CuO与TiO₂之间独特的相互作用制备出具有高活性和高稳定性的Cu-Ti二元氧化物催化剂，以满足燃料电池的特殊需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Cu-Ti二元氧化物低温水煤气变换催化剂及其制备方法，制备过程简便易行，制得的二元氧化物用于水煤气变换反应具有起活温度低、活性高、选择性高、热稳定性好的特点，尤其适用于富氢重整气气氛。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Cu-Ti二元氧化物低温水煤气变换催化剂。

所述的Cu-Ti二元氧化物由CuO和TiO₂组成，以二元氧化物的总质量计，CuO的质量百分含量为5～95%，TiO₂的质量百分含量为5～95%。

所述的Cu-Ti二元氧化物的制备方法包括如下步骤：

（1）将TiO₂分散于水中，形成乳浊液；将可溶性铜盐溶解于上述乳浊液中，制得反应底液；

（2）在搅拌条件下将碱液加入步骤（1）的反应底液中，控制反应温度为40～95℃，终点pH值为7～11，所得沉淀于40～95℃陈化0.5～24小时，经洗涤脱除杂质离子后于50～150℃干燥0.5～24小时，再于250～600℃焙烧0.5～24小时制得所述的Cu-Ti二元氧化物。

步骤（1）所述的可溶性铜盐为醋酸铜、硝酸铜、氯化铜中的一种。

步骤（2）所述的碱液为碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种。

本发明在制备CuO纳米粒子的过程中掺入适量的TiO₂纳米粒子，成功合成出纳米尺度上紧密结合的CuO-TiO₂二元氧化物催化剂。利用TiO₂表面丰富的氧空位，为水煤气变换反应提供了更多解离H₂O分子的位点，提高了催化剂的催化效率。利用TiO₂表面氧空位对CuO纳米粒子强烈的键合作用，提高了催化剂的抗烧结能力。结果表明，本发明中的催化剂在150℃就表现出优异的催化性能，CO转化率可达58%，180℃及210℃时CO转化率高达94%和98%。Cu-Ti二元氧化物催化剂的热稳定性较单一CuO纳米粒子大大提高。

本发明的显著优点在于：在CuO纳米粒子中掺入了无毒环保、价格低廉的TiO₂纳米粒子，降低了催化剂的原料成本。所制备的Cu-Ti二元氧化物水煤气变换催化剂起活温度低、低温活性高、热稳定好、尤其适用于富氢的燃料电池操作环境，为燃料电池技术的发展带来了新希望。该催化剂的制备方法简便易行，适合于大规模生产，具有广阔的工业应用前景。

附图说明