[发明专利]ZnO/Cu纳米晶复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种ZnO/Cu纳米晶复合材料，ZnO负载于Cu纳米晶表面，所述ZnO/Cu纳米晶复合材料为立方体或八面体。将其应用于水汽变换反应，与Cu纳米晶相比，展示了极高的催化性能促进作用，同时对于不同形貌的ZnO/Cu纳米晶材料，也表现出了极大的催化性能差异，实验结果表明立方体ZnO/Cu对于水汽变换反应具有极好的催化性能。

技术领域

本发明涉及技术表面催化领域，尤其涉及一种ZnO/Cu纳米晶复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

金属Cu作为一种廉价的材料，在自然界中大量的存在。同时，在催化领域中Cu作为一种易变价的金属材料，也具有广泛的应用，在工业上如甲醇合成、水汽变换反应、甲醇重整以及选择氧化反应等，都有着极好的催化性能。因此，其在化学、化工以及能源生产应用中都占有极高的地位。

其中，水汽变换反应是工业上生产清洁H₂的重要反应之一，数据显示，将近95％的H₂产生来源于煤、石油、天然气、木质材料、有机废物以及生物质等物质的重整反应，然而，通过重整反应获得的H₂中包含了1％～10％CO，这些CO气体严重的毒化了质子膜燃料电池的阳极Pt电极催化剂，而通过水汽变换反应能够很好的降低重整气中CO的含量，因此，通过水汽变换反应来大规模生产清洁H₂是非常有必要并且很紧迫的，且已经引起了人们广泛的研究兴趣。此外，水汽变换反应以及其可逆反应与当前许多工业上的催化技术(如甲醇合成、甲醇蒸汽重整、氨气合成、煤气化以及催化燃烧反应)也直接或者间接的相关联。目前，在工业上有两类商业催化剂用于水汽变换反应，一类是高温水汽变换催化剂-铁基催化剂；另一类是低温水汽变换-铜基催化剂。水汽变换反应是一放热反应(ΔH＝-41.1kJ/mol)，因此从热力学上来看，温度较低更有利于反应的进行，然而，受到动力学的影响，高温更有利于反应速率的加快，因此，选择一种合适的催化剂在较低的温度加快反应的速率是至关重要的。所以，水汽变换反应基于铜基催化剂的研究是一个非常热点的研究领域。

到目前为止，尽管存在大量的研究工作用于研究水汽变换反应的微观催化反应机理，但是，其详细的铜基催化剂中催化反应机制和催化反应的活性位一直都没有明确的定论。研究发现，铜基催化剂应用于水汽变换反应已经广泛的被认为是一种结构敏感性的反应，许多研究工作者通过单晶模型催化系统以及理论计算研究了不同的Cu单晶表面在水汽变换反应中的结构敏感性以及反应的催化机理，然而这些研究都很难在真实的催化反应条件中真实研究Cu的结构敏感性。最近，随着纳米合成技术的发展，研究工作者们能够可操纵的合成暴露单一晶面的纳米晶材料，这些纳米单晶材料可以很好的代替单晶模型催化剂，与粉末催化一样在真实的催化反应条件下进行催化反应测试。然而，由于金属Cu本身比较活泼，因而其形貌规整的纳米晶材料很难被合成。

而Cu纳米晶材料，由于颗粒尺寸太大以及存在高温催化性能稳定性的问题，致使其在水汽变换反应中存在活性太低以及高温稳定性不足等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种ZnO/Cu纳米晶复合材料及其制备方法和应用，制备的复合材料应用于水汽变换反应中，具有较高的催化性能。

本发明提供了一种ZnO/Cu纳米晶复合材料，ZnO负载于Cu纳米晶表面，所述ZnO/Cu纳米晶复合材料为立方体或八面体。

本发明还提供了一种上述ZnO/Cu纳米晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

A)提供Cu₂O纳米晶，所述Cu₂O纳米晶为立方体或八面体；

B)以硝酸锌作为前驱体，采用等体积浸渍的方法将硝酸锌均匀分布于Cu₂O纳米晶表面，在惰性气氛下焙烧，得到ZnO/Cu₂O纳米晶复合材料；