一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法，该催化剂的化学表达式是X/CeO2(X＝Fe,Co和Ni)。催化剂以硝酸铈、丙三醇、硝酸铁、硝酸钴和氯化镍为制备原料。本发明专利技术方法所用原料廉价易得、实验条件温和，制备工艺简单，绿色环保，具有良好的科学意义和重要的应用前景。本发明专利技术方法制得的球形铁基金属催化剂呈现均匀的纳米球型结构。催化剂在700℃可有效催化氨气完全分解，同时表现出100％的氢气选择性，反应过程中没有其它杂质气体生成而造成二次污染。气体生成而造成二次污染。气体生成而造成二次污染。

【技术实现步骤摘要】
一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料制备与催化应用领域，具体涉及一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]全球变暖和化石燃料的消耗带来了严重的环境问题，但对能源转换和存储的需求正在不断增加。氢能被普遍认为是最有前途的储能载体之一，广泛应用于各个工业领域。由于H2具有高度易燃、易爆、低压缩等特点，在储存和运输方面仍存在许多现实困难，这极大地限制了其广泛应用。氨(NH3)被认为是一种可行的氢气储存介质，因为它具有如下特性:(i)NH3具有较高的重量，储氢量达到17.8wt％，较高的体积密度，液相中其体积分数达到121kg
H2
/m3和较高的能量密度(3kWh/kg)；(ii)通过氨气裂解制氢，其分解过程是无碳的；(iii)NH3液化发生在较温和的条件下，便于存储和运输。因此，NH3在氢经济中常被用作高含量的储氢介质，已经受到越来越多的关注。氨分解反应方程式如下所示：
[0003]2NH3→
N2+3H2ΔH＝46.22kJ/mol
[0004]理论上氨分解反应的平衡转化率在400℃就可实现98％以上的转化，但实际反应中，仍需高达1000℃以上的高温才可实现氨气的完全分解。使用催化剂可降低氨气分解的反应温度，提高氨气分解的转化效率，但对于大部分催化剂来说其分解温度仍高达750℃。目前，高效率、低成本的分解制氢技术的研究核心主要在于低廉、高效、高稳定性的金属催化剂的设计和构建。对于氨分解制氢催化剂的研究主要集中在钌基(Ru)和过渡态金属基(Fe，Co，Ni等)氧化物等。 Ru基催化剂凭借其低温高活性，高热稳定性等优势和特点，成为储氢材料氨分解制氢中应用最多的催化剂。但是，钌基催化剂储量少，价格贵，极大地限制了其推广和应用。同贵金属钌基相比，开发价格低廉的过渡金属基催化剂高效催化氨气分解的研究势在必行。
[0005]铁基金属催化剂的缺点是催化活性低，反应速率慢，为了达到氨分解制氢工艺工业化的应用要求，铁基催化剂中铁的负载量高达15
‑
20％，且必须在高温下进行，这对催化剂的高温稳定性提出了较高要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法，以期为进一步开发，低温，低压和高活性的氨分解催化剂提供合理的理论指导。
[0007]本专利技术采用如下技术方案实现：
[0008]一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)在60mL超纯水中按比例为(0.3
‑
1):(20
‑
80)mL依次加入Ce(NO3)3·
6H2O、和丙三醇，进行磁力搅拌后，转移至高压反应釜中反应，最后冷却至室温，得到淡紫色的CeO2球形纳米材料；
[0010]2)离心收集步骤1)得到的淡紫色的CeO2球形纳米材料，清洗，干燥，得到CeO2球形
纳米材料；
[0011]3)将步骤2)得到的CeO2球形纳米材料充分研磨，把研磨后的粉末固体置于超纯水中混合溶解，加入1
‑
3g Fe(NO3)3·
9H2O，负载量为CeO2球形载体的5
‑ꢀ
10％，得到混合溶液；
[0012]4)持续搅拌状态下，向步骤3)得到的混合溶液中逐滴加入NaHCO3水溶液，控制pH值为8
‑
10，冷却至室温后，得到沉淀物混合液；
[0013]5)将步骤4)得到的沉淀物混合液过滤，洗涤、干燥，400
‑
650℃高温煅烧后，得到催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，置于高压反应釜后，170
‑
190℃反应24h。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，所得产物是淡紫色，以确保CeO2载体的球形形貌。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，淡紫色产物在80℃至少干燥24h。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，CeO2球形载体纳米材料研磨至50
‑ꢀ
100目。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中，加入Fe(NO3)3·
9H2O时，其Fe:Ce 的摩尔比是1:10
‑
20。
[0019]本专利技术进一步的改进在于，步骤4)中，NaHCO3水溶液的浓度是3
‑
8mol/L。
[0020]本专利技术进一步的改进在于，步骤5)中，洗涤沉淀物时，采用超纯水和无水乙醇依次洗涤5次以达到去除催化剂表面杂质的目的。
[0021]本专利技术进一步的改进在于，步骤5)中，在80℃干燥沉淀产物时，对洗涤后的沉淀产物干燥至少24h。
[0022]所述的制备方法制备得到的是催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂。
[0023]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益的技术效果：
[0024]本专利技术提供的一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法，可选择性的负载并沉积铁系金属(Fe，Co和Ni等)。在50℃水浴加热过程中，制备的Fe/CeO2，Co/CeO2和Ni/CeO2均可催化氨气分解制氢，其中Fe/CeO2在650℃可实现NH3的完全分解，而Co/CeO2和Ni/CeO2的催化活性均小于Fe/CeO2。同时，整个反应过程，产物只检测到N2和H2，并无其它杂质生成，H2的选择性可达到100％。
[0025]本专利技术提供的一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂及其制备方法，该方法采用高温水热法和沉积沉淀法。此方法可有效把Ce
4+
还原为Ce
3+
，同时可将铁基金属(Fe、Co和Ni)均匀负载到CeO2的载体表面，提升了催化剂的反应活性和铁系金属的分散状态。本专利技术方法简单易行，制备条件温和，原料廉价易得，制备过程无有毒反应原料，是一种环境友好型绿色合成催化剂。
附图说明
[0026]图1为本专利技术制备的球形铁基金属催化剂X/CeO2(X＝Fe,Co和Ni)的XRD 图谱；
[0027]图2为本专利技术制备的球形铁基金属催化剂X/CeO2(X＝Fe,Co和Ni)的孔体积分布曲线图谱；
[0028]图3中(a)
‑
(c)为本专利技术制备的球形铁基金属催化剂X/CeO2(X＝Fe,Co 和Ni)的透射电镜照片；
[0029]图4为本专利技术制备的球形铁基金属催化剂X/CeO2(X＝Fe,Co和Ni)的H2‑ꢀ
TPR图谱；
[0030]图5为本专利技术制备的球形铁基金属催化剂X/CeO2(X＝Fe,Co和Ni)的催化氨气产氢的图谱。
具体实施方式
[0031]下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明，本专利技术包括但不限于下面的实施例。
[0032]本专利技术提供的一种催化氨气产氢的球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在60mL超纯水中按比例为(0.3
‑
1):(20
‑
80)mL依次加入Ce(NO3)3·
6H2O、和丙三醇，进行磁力搅拌后，转移至高压反应釜中反应，最后冷却至室温，得到淡紫色的CeO2球形纳米材料；2)离心收集步骤1)得到的淡紫色的CeO2球形纳米材料，清洗，干燥，得到CeO2球形纳米材料；3)将步骤2)得到的CeO2球形纳米材料充分研磨，把研磨后的粉末固体置于超纯水中混合溶解，加入1
‑
3g Fe(NO3)3·
9H2O，负载量为CeO2球形载体的5
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10％，得到混合溶液；4)持续搅拌状态下，向步骤3)得到的混合溶液中逐滴加入NaHCO3水溶液，控制pH值为8
‑
10，冷却至室温后，得到沉淀物混合液；5)将步骤4)得到的沉淀物混合液过滤，洗涤、干燥，400
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650℃高温煅烧后，得到催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂。2.根据权利要求1所述的一种催化氨气产氢的球形铁基金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，置于高压反应釜后，170
‑
190℃反应24h。3.根据权利要求1所述的一种催化氨气产氢的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡二江，高一博，仪洋，殷阁媛，黄佐华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：