[发明专利]一种Au-TiO2-x催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种Au‑TiO_2‑x催化剂及其应用，该Au‑TiO_2‑x催化剂包括载体和活性组分，所述载体由锐钛矿相TiO₂纳米颗粒或TiO₂纳米带在氢气氛围下煅烧得到。本发明将锐钛矿相TiO₂纳米颗粒或TiO₂纳米带置于氢气氛围下进行煅烧，获得的载体与常规空气氛围下煅烧获得的TiO₂载体相比，具有丰富的氧空位、Ti³⁺和缺陷位，形成了表面“无序层”，从而减小了Au‑TiO_2‑x催化剂的欧姆能垒，抑制了电子复合，提升了热电流传输效率，进而促使了H₂O的还原反应，提高了水煤气变换反应中CO的转化率。

技术领域

本发明涉及催化剂制备领域，具体涉及一种Au-TiO_2-x催化剂及其应用。

背景技术

氢能是一种清洁、有效和可持续的能源，例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)。到目前为止，氢气体主要由原油、煤、天然气、生物质等重整而得。但是，上述获得的重整气体中含有约1-10％体积的CO，这会使PEMFC阳极的Pt催化剂发生毒化。所以，为了获得纯净的氢气，本领域人员将水煤气进行变换应用于燃料电池内燃料处理器中，因为该变换反应不仅产生氢气还除去了CO。

然而，上述反应中应用到的商业化WGS催化剂，如Cu-Zn-Al，Fe-Cr和Co-Mo基催化剂，因存在需要复杂的预处理程序或者稳定性差等缺陷，不可避免地阻碍了其在燃料电池中的应用。因此，开发新型的WGS催化剂已迫在眉睫。

基于上述背景，目前国内外科学家主要研究贵金属(Pt、Pd、Rh、Au)和非贵金属(Cu、 Ni)负载于TiO₂、CeO₂、FeO_x、Co₃O₄、Al₂O₃、ZrO₂等及其复合载体的负载型催化剂，如CeO₂/TiO₂,CeO₂/ZrO₂,CeO₂/La₂O₃等。其中，贵金属催化剂能表现出较优的WGS活性，但往往存在富氢气氛下易失活(究其原因为：活性金属的团聚；金属和载体比表面积的损失；表面积碳化等)，易发生高温CO甲烷化和费托合成的副反应。不过，由于分散在合适的金属氧化物上的Au具有高活性和低副反应的特点，所以被认为是良好的WGS催化剂。同时，TiO₂基催化剂由于制备方法成熟、热稳定性高、比表面积大、价格便宜，被认为最具发展前景。

然而，传统的TiO₂载体表面缺陷较少，导致其与活性金属的相互作用较弱，故传统Au-TiO₂催化剂WGS活性不高。研究者们通常通过掺杂金属或者非金属的方式对传统TiO₂载体进行修饰，但这些掺杂物的加入量毕竟有限，导致其修饰TiO₂载体的效果不好。

因此，需要制备一种无掺杂且具有特殊表面结构的TiO₂载体，以增强其与活性金属的相互作用，获得高WGS活性的Au-TiO₂催化剂。

发明内容

本发明提供了一种Au-TiO_2-x催化剂以及其在水煤气变换反应制备氢气中的应用，该 Au-TiO_2-x催化剂基于氢蚀刻技术使TiO₂得到足够的表面氧空位和Ti³⁺而产生表面无序层，获得一种TiO_2-x载体，促进了Au-TiO_2-x催化剂的催化效果，显著提高CO的转化率。