[发明专利]一种高温抗烧结催化剂的应用

说明书

本发明涉及催化剂领域，公开了一种高温抗烧结催化剂的应用，本发明的催化剂可用于催化甲酸溶液制氢、多相催化反应、氢燃料电池、阴极防蚀、硼化物靶材、硼化物喷嘴复合材料、硼化物陶瓷材料、硼化物涂层、硼化物表面包覆膜材料、耐磨材料、能源化工、石油化工、碳氢键活化、制药和制备含氢水中。该催化剂包含过渡金属纳米粒子和负载过渡金属纳米粒子的金属硼化物载体；过渡金属纳米粒子选自第VIII族和IB族过渡金属；金属硼化物载体的化学通式为Msubgt;m/subgt;Bsubgt;n/subgt;，其中M代表金属。本发明催化剂中过渡金属纳米粒子和过渡金属硼化物载体存在金属‑载体强相互作用，使得其具有优异的高温抗烧结性能。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，尤其涉及一种高温抗烧结催化剂的应用。

背景技术

金属纳米催化剂（如Pt，Ag，Pd，Au等）拥有独特的电子结构和尺寸效应，活性和选择性远远高于传统催化剂，因而在石油化工、精细化工、环保催化等领域具有广阔的应用前景。然而，纳米催化剂比表面积大、表面自由能高，在高温反应条件下会发生不可逆的烧结团聚现象，导致其活性逐渐下降甚至完全丧失。特别地，目前很多重要的工业催化过程，如重质油催化裂化、挥发性有机化合物（VOC）催化燃烧、碳氢化合物重整、汽车尾气处理等，反应温度常常高达600 ^oC以上，极易导致催化剂烧结而迅速失活，这极大地限制了金属纳米催化剂在这些领域的实际应用。因此，开发兼具高催化活性和高温抗烧结性能的双功能金属纳米催化体系一直以来是多相催化领域亟待解决的科学前沿问题，也是其工业应用取得突破的关键因素。

为实现上述目标，研究者们相继开发了界面限域、空间限域、纳米合金等先进技术。其中，经典金属−载体强相互作用（Strong Metal-Support Interactions，SMSI）不仅可以有效调节金属纳米粒子的形貌与电子性质，极大地提升其活性和选择性，还能通过物理限域提高催化剂的高温稳定性，被认为是构建高效抗烧结金属纳米催化剂最有效的方法之一。为构筑SMSI体系，首要条件是要为金属纳米催化剂寻找合适的载体。

过渡金属硼化物（Transitional Metal Borides，TMBs）有着极高的熔点（以TiB₂和ZrB₂为例，熔点分别高达2980 ^oC和3245 ^oC）和优异的化学稳定性（TiB₂和ZrB₂在空气中抗氧化温度分别可达1000 ^oC和1300 ^oC），是一类不可多得的耐高温材料。同时，过渡金属硼化物是典型的二维层状材料，平面内具有很强的共价键合作用，不受限于材料的晶格匹配度，就能通过范德华力和其它材料形成相互作用，从而大幅提高材料的光电、催化等性能。因此，过渡金属硼化物应用十分广泛，主要可以用于阴极防蚀、靶材、喷嘴复合材料、陶瓷材料、涂层、表面包覆膜材料和耐磨材料等，但到目前为止，极少应用于催化研究。此外，当前工业制备金属硼化物主要为碳热还原法或直接元素合成法，这些方法存在产品纯度低、粒度大和制备成本高等问题。

众所周知，氢能具有环境友好、无毒无污染、热值高等众多优点，被誉为新时代的“能量货币”，但因氢气沸点低、密度小、扩散快的特点，存在储存困难和安全运输等问题。因而，开发液态储氢技术对未来氢能的有效利用具有举足轻重的作用。近年来，以甲酸/甲酸盐等含氢化合物为原料制备氢气受到人们的关注，甲酸具有无毒、常温下稳定的优点，而且氢含量高达4.4wt％，是优良的储氢材料。同时甲酸是轻质油氧化制醋酸的副产物，将其回收利用对于环境和工业生产都具有非常高的应用价值，而甲酸盐也可以通过简单的一氧化碳合成法制得。对于甲酸盐的分解产氢，分解产物为碳酸氢盐和氢气。这个过程不产生其他气体，同时也不存在副反应，因此能够获得纯净的氢气，目前已经广泛用于燃料电池领域。但是，目前催化甲酸/甲酸盐分解的多相催化剂一般都依赖高负载量Pd，这无疑增加了制备成本；同时，目前使用的催化甲酸盐分解的催化剂一般无室温活性，必须在加热的条件下才能产生和释放氢气。因此，通过开发新型多相催化剂，实现室温条件下高效催化甲酸/甲酸盐分解产氢成为了人们关注的焦点。

发明内容