[发明专利]一种限域结构的RuCu纳米合金催化剂及其在催化一氧化碳优先氧化反应中的应用

说明书

本发明公开了一种限域结构的RuCu纳米合金催化剂及其在催化一氧化碳优先氧化反应中的应用。本发明通过双滴法合成出MgCuAlRu四元水滑石前驱体，然后在氢气气氛中还原得到限域结构的RuCu纳米合金催化剂。该催化剂中RuCu双金属纳米合金颗粒均匀地分散于弱结晶的镁铝复合氧化物中，镁铝复合氧化物对RuCu双金属纳米合金颗粒具有限域作用。该催化剂不仅提高了一氧化碳优先氧化的转化率，而且大大提高了二氧化碳的选择性和反应稳定性。其在85℃、常压、空速10‑30h^‑1条件下，对一氧化碳优先氧化反应转化率为100％，选择性为75％。并且该催化剂制备过程无需使用有机溶剂或添加剂，方法简便，环境友好。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，特别涉及一种限域结构的RuCu纳米合金催化剂及其在催化一氧化碳优先氧化反应中的应用。

背景技术

氢气是一种气态清洁能源，其主要来源于化工厂的排放、化石燃料的燃烧、生物质产氢、矿石燃料以及电解水所得，90％的氢原料来自前两种方式。但是作为质子膜燃料电池的反应介质，纯度要低于100ppm以上，因原料气含有的CO能够对电池的主活性催化剂Pt金属电极造成影响，就算向Pt电极添加能够抗CO吸附的贵金属或非贵金属，高浓度的CO还是会导致燃料电池整体工作强度下降、效率降低，甚至造成不可逆的失活等影响。

所以，在氢燃料通入质子膜燃料电池之前，要进行预处理净化工作。来自工厂的氢气原料首先要经过碳氢重整，使未反应的饱和蒸汽压低的有机物反应生成H₂O、CO、CO₂、H₂、CH₄等物质。在经过水煤气转化(主反应：CO+H₂O→CO₂+H₂)，将CO降至大约气体含量的1-2％。最后，获得的较为干净的氢气原料投入到一氧化碳优先氧化反应(CO-PROX，主反应CO+O₂→CO₂)工序中，极大的去除CO，达到质子膜燃料电池的CO浓度承受标准。CO-PROX，即一氧化碳优先氧化反应。此反应的由来主要是为了解决PEMFC原料气中含有的微量CO去除工作。为了使去除CO后原料气能够直接满足电池使用，所以选取的催化剂必须能够保证在80-180℃内不使副反应(H₂+O₂→H₂O)发生的前提下来使CO完全除去。

限域结构催化剂在工业应用中起着重要的作用，限域结构可以调配活性位与周围环境的协同效应以及界面效应，从而提升了催化活性。水滑石(简称LDHs)是一种层状双金属氢氧化物，其通式是[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)²]^x+[A^n-]_x/n·yH₂O，其中M²⁺和M³⁺分别为二价和三价金属阳离子，位于主体层板上；A^n-为层间阴离子；x为M³⁺/(M²⁺+M³⁺)的摩尔比值；y为层间水分子的个数。LDHs具有金属阳离子可交换性、层间阴离子种类及数量可调变性、主客体相互作用可调变性等结构特点，这些特点为LDHs制备限域结构的新型纳米催化剂提供了良好的平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种限域结构的RuCu纳米合金催化剂及其在催化一氧化碳优先氧化反应中的应用。

本发明首先通过双滴法合成出MgCuAlRu四元水滑石前驱体，然后在氢气气氛中采用程序升温还原得到限域结构的RuCu纳米合金催化剂。

本发明所述的限域结构的RuCu纳米合金催化剂的结构为：RuCu双金属纳米合金颗粒均匀地分散负载于弱结晶的镁铝复合氧化物中，镁铝复合氧化物对RuCu双金属纳米合金颗粒具有限域作用；该催化剂为黑色粉末状物质，单个颗粒粒径在5-7nm。