本发明专利技术提供用来对负载在纳米多孔载体（例如那些衍生自结晶二氧化钛纳米颗粒的载体）上的金的催化活性进行控制或调整的技术。在实施的一些方面，复合到本发明专利技术催化剂体系中的纳米颗粒介质的表面经历了表面化学改性，该表面化学改性显著抑制所得的催化剂体系使氢气被氧化的能力。尽管如此，所述体系仍然易于使ＣＯ被氧化。换句话讲，通过根据本发明专利技术原理选择和／或改变纳米颗粒的表面，易于由包括催化活性金和纳米颗粒介质的材料制成ＰＲＯＸ催化剂。另外，所述纳米颗粒载体还可以可选地进行热处理，以进一步增强相对于氢气而言的ＣＯ氧化选择性。这类热处理可以在化学改性之前或之后进行，但有利地在将催化活性金沉积在包含所述纳米颗粒的载体上之前进行。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及金基纳米结构化催化剂体系，该体系可用于在氢气存在的 情况下选择性地氧化一氧化碳。所得的净化流可用作CO敏感型器件(诸如 燃料电池等)的进料。
技术介绍
电化学电池(包括质子交换膜燃料电池、传感器、电解槽以及电化学 反应器)是本领域所已知的。通常，这种电池的中心元件是膜电极组件 (MEA)，该组件包括两个被离子传导膜(ICM)隔开的催化电极。装配了 MEA构造的燃料电池使高输出密度成为可能，其可在合理的温度下工作并主要 排放C02和水。燃料电池被视为有发展潜力的、清洁的能源，可用于机动车 辆、海洋船舶、飞行器、便携式电子器件(诸如笔记本电脑和手机)、玩 具、工具与设备、航天器、建筑物、它们的元件等。当燃料电池的MEA装 配有聚合物中心膜时，该燃料电池可以被称为聚合物电解质燃料电池 (PEFC) 。 MEA以及它们在燃料电池中使用的例子在美国专利 No. 6， 756， 146 、 6,749,713 、 6,238,534 、 6'183，668 、 6， 042， 959 、 5， 879， 828和5, 910， 378中有进一步的描述。在燃料电池中，氢气或含氢的燃料气体被进料至燃料电极(阳极)， 同时氧气或含氧气体(例如空气)被送入氧化剂电极(阴极)。结果氢气 被氧化，从而产生电。通常为促进该反应，在阳极和阴极中的一极或两极 中使用催化剂。常用的电极催化剂包括铂或者与下列物质中的一种或多种 联合使用的铂钯、铑、铱、钌、锇、金、钨、铬、锰、铁、钴、镍、 铜、这些物质的合金或金属间组合物、它们的组合等。燃料电池使用的氢气可通过重整一种或多种含氢燃料(例如醇或烃) 来获得。重整工艺的例子包括蒸汽重整法、自热重整法以及部分氧化重整 法。理想的是，重整产物只包含氢气和二氧化碳。在实际操作中， 一氧化 碳也是重整副产物，而且常常还存在水与氮气。例如，代表性的重整气可能包含45至75体积％的氢气、15至25体积％的二氧化碳、最多3至约5 体积％的水、最多3至约5体积％的氮气以及0. 5至2体积％的一氧化碳。遗 憾的是， 一氧化碳具有使燃料电池中使用的铂催化剂中毒的倾向，从而显 著降低燃料电池的输出。为了避免催化剂中毒，希望将重整气中的C0含量降低到不超过约 10ppm至约100ppm。然而，由于CO具有低沸点与高临界温度，因此通过物 理吸附将其除去是非常困难的，在室温下尤其是如此。从重整气中除去一氧化碳的一种可行方法通常涉及使用催化体系，该 催化体系相对于氢气而言选择性地氧化C0，将C0转化为二氧化碳。经此催化转化之后，重整气可以被直接送入燃料电池，这是因 为所形成的二氧化碳对燃料电池催化剂(例如铂)的危害要小得多。相对 于氢气而言选择性氧化CO的工艺被称为选择性氧化或优先氧化(PROX)，这 是一个高度活跃的研究领域。这类催化剂所需的特性已由Park等人描述 ,包括如下方面(1) 在低温下具有高的C0氧化活性；(2) 针对不希望发生的H2的氧化反应而言，具有良好的选择性；(3) 宽泛的使得C0转化率大于99。/。的温度窗口；以及(4) 对进料中存在C02与H20的情况具有耐受性。C0氧化活性可以用CO转化百分比(XJ表示，并且按照以下公式计算<formula>formula see original document page 9</formula>优良的PR0X催化剂既具有高活性，又具有高选择性。对CO的选择性(SJ 被定义为用于使CO氧化的02与02总消耗量的比率。用百分比表示的Sc。其计算公式如下<formula>formula see original document page 9</formula>另一个重要的参数为化学计量的氧气过量因子(oxygen excess factor)拉姆达(入)，其中入=2* /。当入=1时，意味着存在 的氧气的量为使得CO完全氧化的化学计量量。当入〉1时，表明氧气的量 超过使CO完全氧化所需的量。优选的是，在燃料电池工作时使入保持尽可 能低，同时仍然维持〉99.5%的CO转化率。这会最大程度地减小对氢燃料 的稀释作用，并且通常会最大程度地增大PROX催化剂的选择性。本行业已付出相当大的努力来设计能够实现这种选择性氧化的合适的 催化剂。这面临着许多重大的挑战。作为一项挑战，许多传统的CO催化剂 在合理的操作条件下具有的活性和/或选择性不足。例如，许多CO氧化催 化剂只在15(TC或更高的温度才具有活性，而这时其选择性又有可能不 足。这意味着不仅一氧化碳被氧化，而且氢气也被氧化，从而浪费氢燃料。虽然催化剂在这样的较高温度下工作时显示出一 定程度的选择性，但催化处理后的气体可能需要在该气体被供应到燃料电 池前进行冷却。更期望有一种选择性CO催化剂能在较低的温度下工作，例如低于约 7CTC，或者甚至低于约40°C，或者甚至更有利的是在室温或更低的温度 下。但极少有CO氧化催化剂在这样低的温度下具有活性和/或选择性。即 使氧化为C02的反应过程在热力学上是有利的，情况也仍然如此。另外，一 些催化剂在存在C02和/或水的情况下会被损害或换句话讲被抑制，而这两 种物质通常都存在于重整气中。其它催化剂则因使用寿命和/或储存寿命短 而受到限制。已经提出的在富氢流(hydrogen-rich stream)中选择性氧化一氧化 碳的催化剂大部分为氧化铝负载型的铂族金属(尤其是钼、铑、钌与 铱)。负载型铂催化剂在大约20(TC下表现出针对CO氧化的最大活性，同 时具有范围在40-60%内的中等的选择性。在低温下获得高转化率则要求进 料中有更多氧气(高入)。这甚至会进一步降低选择性。Cominos等人的报告描述了 这样的Y-氧化铝负载型Pt-Rh催化剂，其能在140-16(TC下在单级反应器 中使1.12%的C0减少至10ppm，其中入口氧气与一氧化碳的比率为4 (入 =8)。然而，这些条件下的选择性仅为12.5%，导致氢燃料大量损耗。通过使用二氧化钛、二氧化铈或二氧化铈-氧化锆载体、或者通过贱金 属(例如钴与铁)的促进作用可以改善低温活性；但选择性通常低于 50%。在没有H20和C02的情况下，贱金属催化剂(例如Cu0-Ce02)在PR0X 方面已显示出至少具有与负载型铂族金属相当的活性，而且具有高得多的 选择性。然而，重整气流中存在的C02与H20对这些催化剂产生不利的影响 。这种影响通 常非常大。在较高温度下工作可以恢复催化剂活性，但这会降低选择性。已观察到的是，可以使氧化铁负载型纳米级金具有选择性氧化C0的活 性。参见(例如)Landon等人(2005) C力e瓜6b顺朋.，"Selective Oxidation of CO in the presence of H2, H20， and C02 Via Gold For Use In Fuel Cells"(在存在&、 H20和C02的情况下通过金来选择性氧化CO以 用于燃料电池中)，3385-3387。在环境温度至低温的条件下，最好的金催化剂针对CO氧化的活性大大 高于已知的活性最强的增强型铂族金属催化剂的活性。金还比铂便宜得 多。但是，催本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于产生电的系统，包括： ａ）容纳催化剂体系的催化剂容器，所述催化剂体系包括沉积到载体上的催化活性金，所述载体包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒具有多畴表面并以聚集型纳米颗粒簇的形式存在于所述载体中，所述催化活性金沉积在所述纳米颗粒簇 上； ｂ）气体进料供应源，其与所述催化剂容器的入口流体连接，所述气体进料包含ＣＯ和氢气；以及 ｃ）电化学电池，其在所述催化剂容器的出口的下游并与所述出口流体连接。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯E伍德，拉里A布雷，吉纳M布切拉托，盖扎亨D达姆蒂，杜安D范斯勒，马尔文E琼斯，马克E米勒，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。