[发明专利]一种导热性倒载式催化剂、其制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种导热性倒载式催化剂、其制备方法及其应用，所述催化剂以碳化硅泡沫为载体，表示为aAu‑bCoO/SiC‑foam。所述催化剂制备方法包括如下步骤：载体的预处理，金属物种的负载和催化剂的预活化。本发明以导热、耐酸碱、稳定性好、传质效应好的碳化硅泡沫为载体，以氯金酸和硝酸钴为催化剂前驱体，制备倒载型整体式Au‑CoO/SiC‑foam为模型催化剂，催化水汽变换反应，以达到消除一氧化碳，产氢的目的；本发明提供的催化剂用于水汽变换反应，一氧化碳转化率高，且寿命长，催化活性可以维持500h基本不变，远高于现有技术。

技术领域

本发明属于水汽变换反应技术领域，尤其涉及一种导热性倒载式催化剂、其制备方法及其应用。

背景技术

水汽变换反应(WGS)是化学工业中最古老的催化反应之一，其应用至今已有90年历史，在工业上被广泛应用于合成氨、消除一氧化碳和产氢等领域。水煤气本身是一种低热值的气体，由高温蒸汽与无烟煤或焦炭反应生成。利用水汽变换反应可以将有毒的一氧化碳转换为二氧化碳并生成高热值的氢气。

此反应受众多因素影响，如温度、压力、水汽比、空速和催化剂等。此反应为放热反应，较低的温度利于反应正向进行，但是反应速率降低。反应前后气体分子数不变，所以压力对此反应的平衡常数没有影响，但是较高的压力可以提高反应的速率。由于水汽变换反应是一个可逆反应，所以水蒸气含量的增加使压力商减小进而利于反应的正向进行。空速的增加导致催化剂和反应物的接触时间缩短，可能造成反应不完全。

对于此反应，催化剂开发是提升此反应效率的关键所在。因此，为了达到提高一氧化碳转化率、降低反应温度、延长催化剂寿命的目的，需要对催化剂的研发加大力度。

迄今为止，工业上常用的此反应的催化剂包括铁铬系催化剂、钴钼系催化剂和铜系催化剂。对于铁铬系催化剂，反应温度高于350℃，高温下催化剂粒径容易增长且催化容易积碳导致催化剂快速失活且危险系数升高，此外，铬是重金属，毒性较大易造成环境污染。对于钴钼系催化剂，使用前催化剂需要硫化将金属物种转化为硫化物维持活性，但是实际应用情况中，废气中不一定含有硫，所以此系列催化剂的使用受限。对于铜基催化剂，由于能够活化水和一氧化碳，所以被广泛采用，但是也存在很多问题。比如：中国专利CN101518737A，公开了用于富氢条件下水汽变换催化剂的制备方法，以铜铁或铜锌为活性组分，采用沉淀法制备了催化剂。原料气中一氧化碳含量为5.4％时，一氧化碳转化率为98％。中国专利CN107583650A，公开了用于低水汽比条件下高温水汽变换催化剂的制备方法，以铜、锌、铝为主要成分，采用共沉淀法制备了催化剂。原料气中一氧化碳含量为15％时，一氧化碳的转化率为93％。但这两种催化剂不导热，容易引起纳米颗粒增长，进而引起催化剂失活。

近年来，过渡金属氧化物如钴基氧化物催化剂被广泛应用于此反应。如铂钴/碳纳米管催化剂中的铂钴合金起到很好的催化作用(G.M.Mitchell,et al.J.Catal.2020,391,25)。锆修饰的钴/二氧化铈后钴的分散度增加，因此利于此反应，但是催化剂的寿命只有50小时(J.Kim,Int.J.Hydrogen Energy,2021,10.1016/j.ijhydene.2021.01.147)。但是钴氧化物反应仍然存在反应温度高，催化剂寿命短、催化剂容易失活等特点。倒载式结构催化剂已经被我们报道且广泛应用于醇氧化反应，但是对于水汽变换反应的倒载式催化剂、催化活化等相关报道尚未发现。倒载式催化剂由于其特殊的形貌、电子效应必定在此反应中显示出独到之处。

发明内容

针对现有技术中的导热性不足、催化效率低的缺陷，本发明提供一种导热性倒载式催化剂、其制备方法及其用于水汽变换反应的应用。本发明是通过如下技术方案实现的：

作为本发明的第一个方面，在于提供一种导热性倒载式催化剂，以碳化硅泡沫为载体，负载金纳米颗粒和氧化钴纳米颗粒，为倒载式结构，表示为通式aAu-bCoO/SiC-foam，其中，a代表Au的含量，含量范围为1～5％，b代表Co的含量，含量范围为1～5％，其余为载体。