富氢气体脱除CO催化剂的制备及性能研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22014

摘要/Abstract

摘要：

通过使用不同浓度的碳酸铵溶液沉淀硝酸铝溶液，制备出结构和性质不同的氧化铝载体，然后在其上负载钴，得到用于脱除富氢气体中CO的催化剂。表征和评价结果表明，通过改变碳酸铵的浓度，可以简洁高效地控制和优化氧化铝前驱体的物相组成，调整氧化铝的结构、形貌、织构性质和孔径分布，进而实现调控负载钴的颗粒大小、还原度、分散度及表面化学性质等，最终优化了富氢气体脱除CO的催化性能，CO残留量仅为0.2 nmol/L，完全满足Pt电极燃料电池的使用要求。

关键词: 燃料电池, 孔径分布, 钴粒径, CO脱除, 氧化铝, 钴基催化剂

Abstract:

Alumina supports with different structures and properties were prepared by precipitating aluminum nitrate solution with different concentrations of ammonium carbonate solution, and then cobalt was loaded on them to obtain a catalyst for removing CO from hydrogen rich gas. The characterization and evaluation results show that the phase composition of alumina precursor can be simply and efficiently controlled and optimized, the structure, morphology, texture properties and pore size distribution of alumina can be adjusted, and thus the particle size, reduction, dispersion and surface chemical properties of loaded cobalt can be adjusted, by changing the concentration of ammonium carbonate. Finally, the catalytic performance of CO removal from hydrogen rich gas can be optimized, and the residual amount of CO is only 0.2 nmol/L, fully meeting the use requirements of Pt electrode fuel cell.

Key words: fuel cell, pore size distribution, cobalt particle size, CO removal, alumina, cobalt-based catalyst

中图分类号:

TK 09

王海光, 刘永峰, 张军. 富氢气体脱除CO催化剂的制备及性能研究[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 901-907.

Haiguang WANG, Yongfeng LIU, Jun ZHANG. Preparation and Its Performance of Catalyst for CO Removal From Hydrogen Rich Gas Mixture[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(6): 901-907.

图/表 10

图1 氧化铝前驱体的XRD图谱

Fig. 1 XRD spectra of alumina precursors

图2 氧化铝的XRD图谱

Fig. 2 XRD spectra of alumina

图3 氧化铝的BJH孔径分布

Fig. 3 BJH pore distribution of alumina

图4 氧化铝的TEM图

Fig. 4 TEM images of alumina

表1 氧化铝的织构参数

Tab. 1 Texture parameters of alumina

样品	比表面积/(m²/g)	平均孔径/nm	孔体积/(cm³/g)
C-1.0	148.5	9.7	0.43
C-1.5	176.6	12.1	0.59
C-2.0	221.1	13.0	0.77

图5 催化剂的XRD图谱

Fig. 5 XRD spectra of catalysts

图6 催化剂的TEM图

Fig. 6 TEM images of catalysts

表2 Co3O4、Co平均颗粒尺寸以及H2化学吸附结果

Tab. 2 Average particle sizes of Co3O4 and Co, and chemical adsorption results of H2

样品	Co₃O₄粒径/nm		H₂化学吸附结果		转化频率/(10^-3/s)
样品	d₁	d₂	d₃/nm	分散度/%	转化频率/(10^-3/s)
Cat-1.0	20.2	14.7	12.3	13.0	13.4
Cat-1.5	11.1	12.1	6.2	14.5	15.8
Cat-2.0	13.6	10.8	8.0	15.1	17.2

图7 催化剂的H2-TPR曲线

Fig. 7 H2-TPR curves of catalysts

图8 催化剂的富氢气体脱除CO的催化性能

Fig. 8 Catalytic performance for CO removal from hydrogen rich gas mixture

参考文献 18

1	薛晓东，韩巍，王晓东，等．适合分布式冷热电联供系统的中小型发电装置[J]．发电技术，2020，41(3)：252-260． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20031
	XUE X D， HAN W， WANG X D，et al ．Small and medium-scale power generation devices suiting for distributed combined cooling， heating and power system[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：252-260． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20031
2	李林，刘彤宇，李爽，等．甲醇重整制氢燃料电池发电研究进展[J]．发电技术，2022，43(1)：44-53． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21116
	LI L， LIU T Y， LI S，et al ．Research progress of hydrogen production by methanol reforming for fuel cell power generation[J]．Power Generation Technology，2022，43(1)：44-53． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21116
3	黄莎华，刘之景，王支逸．燃料电池开发现状及其发展趋势[J]．化学通报，2004，67(7)：551-557． doi:10.3969/j.issn.0441-3776.2004.07.006
	HUANG S H， LIU Z J， WANG Z Y ．Survey of the present condition of fuel cell and its development tendency[J]．Chemistry，2004，67(7)：551-557． doi:10.3969/j.issn.0441-3776.2004.07.006
4	黄倬，屠海令，张冀强，等．质子交换膜燃料电池的开发与应用[M]．北京：冶金工业出版社，2000：5-29．
	HUANG Z， TU H L， ZHANG J Q，et al ．Development and application of proton exchange membrane fuel cells[M]．Beijing：Metallurgical Industry Press，2000： 5-29．
5	BORG O，ERI S， BLEKKAN E A，et al ．Fischer-Tropsch synthesis over γ-alumina-supported cobalt catalysts：effect of support variables[J]．Journal of Catalysis，2007，248：89-100．
6	BEZEMER G L， BITTER J H， KUIPERS H P C E，et al ．Cobalt particle size effects in the Fischer-Tropsch reaction studied with carbon nanofiber supported catalysts[J]．Journal of the American Chemical Society，2006，128：3956-3964． doi:10.1021/ja058282w
7	MARTÍNEZ A， PRIETO G， ROLLÁN J ．Nanofibrous γ-Al₂O₃ as support for Co-based Fischer-Tropsch catalysts：pondering the relevance of diffusional and dispersion effects on catalytic performance[J]．Journal of Catalysis，2009，263(2)：292-305． doi:10.1016/j.jcat.2009.02.021
8	PANSANGA K， PANPRANOT J， MEKASUWANDUMRONG O，et al ．Effect of mixed γ-and χ-crystalline phases in nanocrystalline Al₂O₃ on the dispersion of cobalt on Al₂O₃ [J]．Catalysis Communications，2008，9(2)：207-212．
9	SHIN D C， PARK S S， KIM J H，et al ．Study on α-alumina precursors prepared using different ammonium salt precipitants[J]．Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2014，20(4)：1269-1275．
10	PARIDA K， PRADHAN A C，DAS J，et al ．Synthesis and characterization of nano-sized porous gamma-alumina by control precipitation method[J]．Materials Chemistry and Physics，2009，113(1)：244-248．
11	TANG Z， LIANG J， LI X，et al ．Synthesis of flower-like Boehmite (γ-AlOOH) via a one-step ionic liquid-assisted hydrothermal route[J]．Journal of Solid State Chemistry，2013，202：305-314．
12	STOICA G， PÉREZ-RAMÍREZ J ．Reforming dawsonite by memory effect of AACH-Derived aluminas[J]．Chemistry of Materials，2007，19：4783-4790．
13	DU X L， WANG Y Q， SU X H，et al ．Influences of pH value on the microstructure and phase transformation of aluminum hydroxide[J]．Powder Technology，2009，192：40-46．
14	WANG Y L， HOU B， CHEN J G，et al ．Ethylenediamine modified Co/SiO₂ sol-gel catalysts for non-ASF FT synthesis of middle distillates[J]. Catalysis Communications，2009，10(6)：747-752.
15	TRÉPANIER M， TAVASOLI A， DALAI A K，et al ．Co，Ru and K loadings effects on the activity and selectivity of carbon nanotubes supported cobalt catalyst in Fischer-Tropsch synthesis[J]．Applied Catalysis A，2009，353：193-202． doi:10.1016/j.apcata.2008.10.061
16	BARROSO M N， GOMEZ M F， ARRU´A L A，et al ．Reactivity of aluminum spinels in the ethanol steam reforming reaction[J]．Catalysis Letters， 2006，109(1)：13-19．
17	ZENG B， HOU B， JIA L T，et al ．Studies of cobalt particle size effects on fischer tropsch synthesis over core-shell structured catalysts[J]．ChemCatChem， 2013，5：3794-3801．
18	MA C C， YAO N， HAN Q，et al ．Synthesis and application of γ-Al₂O₃ supported CoRu-based Fischer-Tropsch catalyst[J]．Chemical Engineering Journal，2012，191：534-540．

[1]	王博斐, 肖浩哲, 李国豪, 修文恒, 莫云浩, 朱铭杰, 吴震. 基于控制目标的氢-电混动系统能量管理策略综述[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 452-464.
[2]	王海光, 刘永峰, 张军. 氮掺杂介孔碳负载钴催化剂的制备及其脱除富氢气体CO性能研究[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 373-381.
[3]	吴磊, 彭黎菊, 李爽, 史翊翔, 蔡宁生. 百千瓦级天然气制氢质子交换膜燃料电池热电联产系统稳态特性模拟分析[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 350-360.
[4]	陈逸文, 赵晋斌, 李军舟, 毛玲, 屈克庆, 魏国庆. 电力低碳转型背景下氢储能的挑战与展望[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 296-304.
[5]	李建林, 邵晨曦, 张则栋, 梁忠豪, 曾飞. 氢能产业政策及商业化模式分析[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 287-295.
[6]	张全斌, 周琼芳. 基于“双碳”目标的中国火力发电技术发展路径研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 143-154.
[7]	黄雅琨, 刘进一, 张筱松. 基于高温质子交换膜燃料电池和全钒液流电池的离网能源系统的配置优化[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 305-312.
[8]	李林, 刘彤宇, 李爽, 史翊翔, 蔡宁生. 甲醇重整制氢燃料电池发电研究进展[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 44-53.
[9]	郭心如, 郭雨旻, 罗方, 王江峰, 赵攀. 磷酸燃料电池的能效、㶲及生态特性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 73-82.
[10]	钟铭,李克勋,魏高升. 微生物燃料电池体系空气阴极研究进展[J]. 发电技术, 2019, 40(6): 598-604.
[11]	周圣哲,崔强,张懋源,夏国廷,王凯. 燃料电池汽车能量管理系统运用复合模糊逻辑控制的研究[J]. 发电技术, 2018, 39(6): 554-560.
[12]	曾洪瑜,史翊翔,蔡宁生. 燃料电池分布式供能技术发展现状与展望[J]. 发电技术, 2018, 39(2): 165-170.