CN108940308B - 一种铂钴复合金属光热催化剂的制备及其在甲烷二氧化碳重整中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲烷和二氧化碳重整制合成气的光热催化剂及其应用。首先制备氧化钴纳米颗粒,将其负载在氧化铝载体上,再将所制得氧化钴纳米颗粒和氧化铝复合金属材料CoO NPs‑Al2O3中加入含铂的盐溶液并搅拌,之后烘干、煅烧得到Pt/CoO‑Al2O3复合光热材料。在光辐照下,该复合金属光热催化剂对甲烷和二氧化碳具有很高的光热催化转化效率;该催化剂的成功制备为甲烷与CO2混合气在温和条件下的高效、绿色转化提供了良好契机。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲烷和二氧化碳重整制合成气的光热催化剂,具体涉及一种铂纳米颗粒-氧化钴纳米颗粒在氧化铝载体上的复合金属光热催化剂的制备,属于二元等离子共振光热耦合材料制备领域。
背景技术
随着全球变暖等环境问题的日益严重化,人们对温室气体CO2和CH4处理和利用的关注程度也越来越高。两种温室气体的有效重整不仅将CO2作为原料循环使用,而且因反应利用光源作为唯一能量来源,可用于光能向化学能的有效转化。太阳能具有取之不尽用之不竭的特点。如果能够实现利用太阳能驱动CH4和CO2重整过程,不仅可实现合成气生产的完全绿色化,而且具备捕集与固定太阳能的潜力。
1928年,Fischer和Tropsch对多种金属催化甲烷和二氧化碳重整反应进行了研究。此后大量研究证明,VIII族过渡金属对该反应都有催化活性,贵金属(Pt, Pd, Ph, Ru,Ir)催化剂具有较高的催化活性和抗积碳能力,其中Pt被认为是最佳组分。
甲烷二氧化碳重整反应活性受到催化剂上负载金属的性质、载体以及金属、载体以及金属与载体相互作用等影响,与其它过渡金属相比,铂在甲烷功能化反应中具有较高的反应活性且不易失活。虽然载体作用观点还没有统一,但热稳定性好、比表面积大是高温重整反应催化剂选择载体的前提条件,而微孔和介孔分子筛具有独特的孔道结构,还普遍具有高稳定性以及大比表面积。另外,当载体与金属存在强相互作用时,可大大提高催化剂反应活性和抗烧结能力。因此,我们选取大比表面、高热稳定性的载体负载高活性金属物种铂制备高效光热催化重整反应催化剂作为研究对象。
由于通过光催化手段实现惰性C-H键活化在热力学和动力学上都面临着巨大挑战。以太阳光作为唯一能量源同时创建光场和热场条件下的协同催化过程是一类有效推动C-H活化的新方式,弥补了单一光催化技术的不足。基于此,本发明建立了Pt-Co-Al2O3多元合金增强表面等离子共振催化体系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甲烷和二氧化碳重整制合成气光热催化重整活性好、生产工艺简单等特点的新型光热催化剂的制备方法,以探究该催化剂在相对温和的条件下实现甲烷二氧化碳光热重整。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种铂金属负载的氧化钴-氧化铝光热催化剂的制备包括以下步骤:
(1)氧化钴纳米颗粒的制备:
配制1 mM的硝酸钴溶液,量取60-80 mL的硝酸钴水溶液并且加入50 mL乙醇溶液混合搅拌10 min,加入1-5 mL的十二胺溶液搅拌5 min,加入50 mL的己烷溶液搅拌2 min,停止搅拌静置5min,取上层溶液于烧杯中,在50℃的水浴锅中搅拌30 min。静置12 h。
(2)氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合金属材料(CoO NPs-Al2O3)的制备:
在上述步骤(1)的溶液中加入0.5-3 g氧化铝粉末,室温下搅拌2 h之后,离心、洗涤、干燥、煅烧得到CoO NPs负载在氧化铝上的复合金属材料。
(3)氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合材料(CoO NPs-Al2O3)上负载铂纳米颗粒(PtNPs)的制备:
将步骤(2)所制得氧化钴纳米颗粒和氧化铝复合金属材料(CoO NPs-Al2O3)中加入10-90 mL含铂的盐溶液并搅拌12 h,铂的盐溶液中所含铂的质量为1mg/mL,之后进行烘干、煅烧得到Pt/CoO-Al2O3复合型光热材料。
步骤(2)中的搅拌速度为5000 r/min,煅烧温度为200℃-300℃。
步骤(3)中的煅烧温度为300℃-700℃,铂金属含量为0.5-3 wt%。
一种如上所述的用于甲烷二氧化碳重整的光热催化剂的应用:复合型光热催化剂在模拟太阳光下重整制合成气产CO达到6400 μmol.g-1.s-1,产H2达到7000 μmol.g-1.s-1。
光热催化甲烷二氧化碳重整制合成气的具体步骤如下:
(1)在定制的3*3*0.2 cm的方形石英反应器中装入经过筛选目数为60-80目的Pt/CoO-Al2O3复合金属光热催化剂,在光辐照,常压下通入摩尔含量为1:1的CH4:CO2气体。
(2)将光热催化的产物用气相色谱进行分析,通过保留时间和峰面积进行定量。
本发明的显著优点在于:
(1)该催化剂制备简单,以太阳能作为唯一驱动力,同时实现了两种温室气体甲烷和二氧化碳的重整,避免了传统高温、高压的条件,在温和的条件下实现了甲烷和二氧化碳的重整,有利于环境和能源的可持续发展和利用。
(2)Pt/CoO-Al2O3复合金属光热催化剂的催化活性高、循环性能好、生产工艺简单、可宏观制备、易回收。
附图说明
图1是Pt/CoO-Al2O3、Pt/Al2O3、CoO-Al2O3、Al2O3的DRS图;
图2是Pt/CoO-Al2O3的XRD图;
图3是Pt/CoO-Al2O3的产CO活性图;
图4是Pt/CoO-Al2O3的产H2的活性图。
具体实施方式
下面列举实施例进一步说明本发明。
实施例1
1. 催化剂的制备:
(1)钴负载在氧化铝上的制备:
配制1 mM的硝酸钴溶液,将100 mL硝酸钴水溶液和50 mL乙醇溶液混合搅拌10min,加入1 mL的十二胺溶液搅拌5 min,加入50 mL的己烷溶液搅拌2 min,停止搅拌静置5min,取上层溶液于烧杯中,在50℃的水浴锅中搅拌30 min。静置12 h。
(2)氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合金属材料(CoO NPs-Al2O3)的制备:
在上述步骤(1)的溶液中加入1 g的氧化铝粉末,室温下搅拌2 h之后,用转速为5000 r/min离心、洗涤、干燥、煅烧得到CoO NPs负载在氧化铝上的复合材料。
(3)氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合材料(CoO NPs-Al2O3)上负载铂纳米颗粒(PtNPs)的制备:
取步骤(2)所制得氧化钴纳米颗粒和氧化铝复合材料(CoO NPs-Al2O3)0.5 g加入到含铂的盐溶液中搅拌12 h,铂的盐溶液中铂的质量浓度为1 mg/mL,加入量2.5 ml,之后进行烘干、在300 ℃下煅烧4 h得到Pt/CoO-Al2O3复合型光热材料。
2. 活性测试:
(1)在定制的3*3*0.2 cm的方形石英反应器中装入经过筛选目数为60-80目的Pt/CoO-Al2O3复合金属光热催化剂,在光辐照,常压下通入含量摩尔质量为1:1的CH4:CO2气体。
(2)将光热催化的产物用安捷伦气相色谱进行分析,通过保留时间和峰面积进行定量。
实施例2
具体Pt/CoO-Al2O3制备方法与本部分实施例1基本相同,不同之处在于将金属铂的含量改为1.0 wt %,煅烧温度为300 ℃。
实施例3
具体Pt/CoO-Al2O3制备方法与本部分实施例1基本相同,不同之处在于将金属铂的含量改为1.5 wt%,煅烧温度为400 ℃。
实施例4
具体Pt/CoO-Al2O3制备方法与本部分实施例1基本相同,不同之处在于将金属铂的含量改为2.0 wt%,煅烧温度为500 ℃。
实施例5
具体Pt/CoO-Al2O3制备方法与本部分实施例1基本相同,不同之处在于将金属铂的含量改为2.5 wt%,煅烧温度为600 ℃。
实施例6
具体Pt/CoO-Al2O3制备方法与本部分实施例1基本相同,不同之处在于将金属铂的含量改为3.0 wt%,煅烧温度为700 ℃。
从催化剂的UV-Vis-NIR表征结果(图1)可以看出载体(Al2O3)在400 -1200 nm范围内几乎没有光吸收,Co/Al2O3催化剂在400 -1200 nm范围内有一定的光吸收。Pt-Co/Al2O3和Pt/Al2O3催化剂在400-1200 nm内存在明显的光吸收且在400-450 nm出现一个小峰包,这是金属Pt自身激发引起的特征吸收;
由于Pt-Co/Al2O3催化剂中贵金属和钴金属离子的含量非常少,当活性组分负载量低于载体单层分散阀值时,图2的XRD表征的结果将不会检测到(Pt、Co)组分的特征衍射峰。这也说明活性组分可以在Al2O3基底上均匀分散;
从图3可知,Pt-Co/Al2O3催化剂其光热催化CH4和CO2制合成气CO的产率明显高于单纯的热催化,光热协同催化在386o C产率,热催化要在500 o C才能达到;
从图4可知,Pt-Co/Al2O3催化剂其光热催化CH4和CO2制合成气CO的产率明显高于单纯的热催化,光热协同催化在386o C产率远大于热催化在500 o C时候的产率;
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种铂钴复合金属光热催化剂的应用,其特征在于:催化剂用于甲烷和二氧化碳光热催化重整制合成气的反应中,催化剂为铂纳米颗粒Pt NPs和氧化钴纳米颗粒CoO NPs负载在氧化铝Al2O3上,其中Pt NPs的质量占整个催化剂的0.5%-3%;CoO NPs占整个催化剂的质量分数为0.6%-0.8%;催化剂具体制备方法包括以下步骤:
(1)氧化钴纳米颗粒的制备:
配制硝酸钴溶液,量取60-80 mL的硝酸钴水溶液并且加入50mL乙醇溶液混合搅拌10min,加入1-5 mL的十二胺溶液搅拌5min,加入50mL的己烷溶液搅拌2 min,停止搅拌静置5min,取上层溶液于烧杯中,在50℃的水浴锅中搅拌30min,静置12 h;
(2)氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合金属材料CoO NPs-Al2O3的制备:
在上述步骤(1)得到的溶液中加入0.5-3 g氧化铝粉末,室温下搅拌2 h之后,离心、洗涤、干燥、煅烧得到氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合金属材料CoO NPs-Al2O3;
(3)铂钴复合金属光热催化剂的制备:
将步骤(2)所制得氧化钴纳米颗粒-氧化铝复合金属材料CoO NPs-Al2O3中加入10-90mL含铂的盐溶液并搅拌12 h,铂的盐溶液中所含铂的浓度为1 mg/mL,之后进行烘干、煅烧得到铂钴复合金属光热催化剂。
2.根据权利要求1所述的铂钴复合金属光热催化剂的应用,其特征在于:步骤(1)中,硝酸钴溶液的浓度为1 mM。
3.根据权利要求1所述的铂钴复合金属光热催化剂的应用,其特征在于:步骤(2)中,所述煅烧温度为200 ℃-300 ℃,煅烧时间为2-3 h。
4.根据权利要求1所述的铂钴复合金属光热催化剂的应用,其特征在于:步骤(3)中,所述煅烧温度为300 ℃-700 ℃,煅烧时间为4-5 h。
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