以金属-有机骨架材料(MOFs)为前驱体制备CuO/CeO2催化剂及富氢催化CO氧化的研究

【作者】 陈超； 沈盼； 张宁；

【机构】 南昌大学化学学院；

【摘要】 质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其能量密度高、工作寿命长、低温启动性能好、应答迅速等特点受到了人们的关注与重视。PEMFC的H2燃料气通常是由碳氢化合物的催化重整和水煤气变换反应制得,在产生H2的同时伴随0.5%~2%(体积分数)的CO气体生成。而CO易吸附到质子交换膜燃料电池上的Pt电极表面,阻碍了燃料的催化氧化,会导致Pt电极因CO中毒而失活.CO优先氧化(CO-PROX)被认为是最有效、经济的方法。如何在富氢条件下实现对CO选择性氧化,关键是制备出具有优异催化性能催化剂。Cu O/CeO 2催化剂具有价格相对便宜、来源丰富的优点,被公认是一种能够实现富氢气体中CO优先氧化的有效催化剂,是能够替代贵金属最具开发潜力的催化剂,受到了特别青睐并取得大力进展。由于不同方法所得Cu O/Ce O2催化剂的形貌和铜物种在Ce O2上的分散度不同,进而其催化性能也不尽相同。一般认为,高分散的铜活性物种有利于反应的进行。目前,用于Cu O/Ce O2催化剂的制备方法主要有共沉淀法,溶胶—凝胶法,燃烧法,浸渍法和柠檬酸法等,其目的均是为使活性物种更加分散且不易团聚,这其中前驱体是影响活性物种分散性的一种重要因素。而金属-有机骨架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs)的金属(或金属氧簇)中心离子被有机配体分子规则、有序的分隔,在空间上具有排列规则、分布均匀的特点,加上它的特殊孔道结构,可以根据需要吸附、交换特定数量的金属离子,可作为前驱体制备具有特定铜铈比例、高度分散活性物种的Cu O/Ce O2催化剂。本文分别采用金属-有机骨架化合物Cu3(BTC)2和Ce(1,3,5-BTC)(H2O)6为前驱体,吸附相应的Ce3+、Cu2+离子,通过焙烧除去有机配体,制备了具有高CO优先氧化催化活性的Cu O/Ce O2催化剂。另外,为得到具有高含量活性物种催化剂,我们又采用另一种金属-有机骨架化合物[Ce2Cu3(ida)6]·x H2O为前驱体,得到了具有高催化活性的Cu O/Ce O2反向催化剂。通过XRD、TEM、XPS、H2-TPR等表征,系统研究了不同MOFs前驱体、不同焙烧温度、焙烧方法对形成的Cu O/Ce O2催化剂中铜活性物种的分布、铜铈相互作用、颗粒大小的影响,进而对比研究了系列Cu O/Ce O2催化剂的富氢条件CO选择性氧化活性、催化剂寿命及抗水、抗CO2能力。更多还原