[发明专利]一种贵金属水汽变换催化剂及制备和应用

说明书

本发明涉及一种贵金属水汽变换催化剂及其制备的新方法。该催化剂组成为贵金属/CeO₂，贵金属负载量为总重量的0.1～2wt％，CeO₂为富含氧缺陷位的氧化铈，贵金属活性组分以原子分散尺度分散在CeO₂载体上。该催化剂应用于燃料电池制氢系统过程水汽变换反应中，在极高空速条件下，表现出优于传统工业CuZn催化剂和FeCr催化剂的催化活性，并且具有良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种贵金属水汽变换催化剂及其制备的新方法。具体地说，本发明涉及一种组成为贵金属/CeO₂用于燃料电池制氢过程中水汽变换反应催化剂。CeO₂为富含氧缺陷位的氧化铈，贵金属活性组分以原子分散尺度分散在CeO₂载体上。在极高空速条件下，该催化剂表现出优于商业催化剂的催化活性。

背景技术

燃料电池是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置，具有清洁、高效等优势，对改善环境和实现能源的可持续发展有着重要意义。目前，燃料电池所需的氢源多由化石燃料制氢、化工副产品中提取氢、生物甲醇甲烷制氢、太阳能、风能等自然能量制氢等方式获得。然而，氢气的熔点很低，难以液化，液体氢还会和金属容器反应生成氢化物。因此，氢气的储存和运输存在着成本高、安全隐患大等问题，制约着燃料电池氢源的供应。氢源技术已成为限制燃料电池进一步商业应用的技术瓶颈之一。

目前，国内外都在积极开发燃料电池现场制氢技术，即以汽柴油、天然气、甲醇等碳氢化合物为原料经过重整反应现场制取。这种制氢方式具有能量密度大、能量转化率高等优势。另外，液体燃料便于储存和运输，与氢气相比在经济性和安全性等方面具有优势。碳氢燃料重整制氢过程中不可避免的地生成大量的CO。CO会导致燃料电池中铂电极不可逆中毒，在其进入电池系统前必须将其浓度降至可承受的限度以下。此外，CO可以通过水汽变换反应转化为氢气，进一步提高能量利用效率。

燃料电池现场制氢系统是一个紧凑、非稳态的过程，因此，该过程要求催化剂具有很高的活性和稳定性，能够适应高空速(空速＞10000h^-1)、多次启动停止等不同工况带来的操作环境的变化。用于空速为2000-3000h^-1、操作条件稳定的工业CuZn系低温变换催化剂和FeCr系高温变换催化剂已不能适用于燃料电池现场制氢系统中水汽变换反应。因此，开发高活性、高稳定性的水汽变换催化剂是燃料电池现场制氢过程中的关键之一。水汽变换反应中H₂O的活化是该反应的决速步，要提高水汽变换反应速率，必须开发高效的H₂O活化催化剂(S.Yao,et al.,Science 2017,357,389；A.A.Gokhale,et al.,J.Am.Chem.Soc.2008,130,1402.)。变价金属氧化物(如CeO₂、TiO₂、CuO等)常常具有氧缺陷位，这些缺陷位被大量研究者认为是H₂O的活化的活性位(A.M.Abdel-Mageed,et al.,ACS Catal.2017,7,6471；J.A.Rodriguez,et al.,Science 2007,318,1757；J.Graciani,et al.,Science 2014,345,546；Y.Bu,et al.,ACS Catal.2016,6,7994；A.S.Duke,et al.,ACS Catal.2017,7,2597.)。因此，开发富含氧缺陷位负载型贵金属催化剂有望成为制备高性能水汽变换催化剂有效途径。

发明内容

本发明旨在提供一种用于燃料电池制氢系统中水汽变换反应催化剂，在极高空速、多次启动停止的工况下表现出优异的CO变换活性以及稳定性。

基于上述目的，本发明采用的技术方案为：