一种脱除氢气中氧气的催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种脱除氢气中氧气的催化剂，包含金属前驱体和载体，金属前驱体包括Pt，以重量百分比计，Pt的用量为0.01‑5％；载体为二氧化钛、三氧化二铝、炭黑或多壁碳纳米管中的任意一种；并且公开了该催化剂的乙二醇还原制备方法和将该催化剂应用于氢气脱氧的具体方法。本发明专利技术催化剂脱氧活性高，稳定性强，使用寿命长，制备方法简单、可控，且利用该催化剂对氢气进行脱氧处理的方法简单、灵活、高效，便于工业化推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种脱除氢气中氧气的催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及气体纯化领域，具体地说，涉及一种脱除氢气中氧气的催化剂及其制备方法和应用。技术背景氢能具有清洁、高效和可持续等特点，被视为21世纪最具发展潜力的能源载体之一，目前，氢广泛应用于燃料电池、电子工业保护气、炼油工业油料精制、大型汽轮发电机组冷却介质以及浮法玻璃生产等领域。在氢气的生产、运输和使用的过程中，常常需要满足较高的纯度要求；在电解制氢的过程中，氧气作为产物之一，常常大量存在于得到的氢气中，而氢气是易燃易爆气体，极易和氧气发生剧烈的反应，造成危险事故。此外，不同的行业和用途对于氢气的纯度要求不同：氢冷发电机系统中，氢冷系统的氢气含氧量不应大于2％，制氢设备的含氢量不应低于99.5％，含氧量不超过0.5％；对于一般石化行业加氢而言，对氢气纯度的要求随着加氢过程的压力和系统压差的增高而增高，尤其对于高压的氢气而言，氧气的存在十分危险；部分对于氢气纯度要求较高的行业，经常需要其中含有的氧气等杂质在PPB级，例如半导体工业当中的多晶硅生产过程中就要求氢气的纯度达到99.9999％以上，因而必须对氢气进行深度脱氧净化。现有的氢气脱氧工艺较为复杂，脱氧效果差，设备投资成本较大，且脱氧操作温度较高，进而使得能耗较高，因此，亟待设计一种操作简便、脱氧效果好、成本低、能耗低的氢气脱氧产品及方法。
技术实现思路
基于现有技术的不足，本专利技术提供一种可在常温下高效脱除氢气中氧气的催化剂及其制备方法和应用。本专利技术为了实现上述目的所采取的技术方案是：一种脱除氢气中氧气的催化剂，其特征在于：包含金属前驱体和载体；所述金属前驱体包括Pt，以重量百分比计，Pt的用量为0.01-5％；所述载体为二氧化钛、三氧化二铝、炭黑或多壁碳纳米管中的任意一种.优选地，所述金属前驱体还包括M和/或N；所述M为Au、Pd、Ru或Rh中的任意一种，以重量百分数计，M的用量小于或等于5％；所述N为Fe、Ni、Co或Cu中的任意一种，以重量百分数计，N的用量小于或等于5％。优选地，以重量百分数计，Pt的用量为0.01-1％，M的用量小于或等于1％，N的用量小于或等于1％。优选地，所述催化剂为灰色粉末状，比表面积为50-200m2/g。优选地，Pt的粒径为1.6-3.2nm。优选地，所述载体为二氧化钛。一种脱除氢气中氧气的催化剂的制备方法，其特征在于：将所述金属前驱体的盐溶液与所述载体共同投入乙二醇溶液中，经过恒温加热反应和pH调节得到负载型产物，再经洗涤、干燥、焙烧得到所述催化剂。优选地，具体的制备方法包括以下步骤：(1)配置含有所述金属前驱体的可溶性盐的乙二醇溶液I；(2)配置摩尔浓度1mol/mL的可溶性碱的乙二醇溶液II；(3)称取所述载体于三口圆底烧瓶中，加入乙二醇，充分超声分散成悬浊液；(4)量取乙二醇溶液I，置于称量瓶中超声分散；(5)将步骤(3)中的悬浊液置于油浴锅中搅拌，并滴加步骤(4)中超声分散制得的溶液，保护气下常温搅拌均匀；(6)调节乙二醇溶液II的pH值，并将其添加到步骤(5)制得的混合溶液中，将油浴锅加热升温至130℃，反应3.5h，反应过程中使用磁子搅拌，并用水进行冷凝回流；(7)反应结束后冷却至35℃以下，调节pH至1.7，室温下搅拌12h，获得固液混合物；(8)对所述固液混合物进行抽滤分离，得到固体；用去离子水洗涤至滤液中无氯离子后，真空干燥8小时以上；(9)使用前将干燥产物置于氢气环境中焙烧，焙烧温度为100-800℃。优选地，步骤(2)中可溶性碱为氢氧化钠。优选地，步骤(3)中载体三氧化二铝使用前破碎、研磨至小于300目，并于空气中500℃焙烧2h，保存于干燥器中备用；载体炭黑和多壁碳纳米管使用前经过硝酸高温处理，以去除杂质并增加表面含氧官能团的数量。优选地，步骤(6)中根据金属前驱体的组成调节乙二醇溶液II的pH值，金属前驱体仅为Pt时，调节pH为11-1.7，控制Pt纳米颗粒粒径为1.6-3.2nm；金属前驱体除Pt外还包括M和/或N时，调节pH为13。优选地，步骤(9)中的焙烧温度为200-400℃.一种利用催化剂去除氢气中氧气的方法，其特征在于：将混合有氧气的氢气通入装有所述催化剂的反应器中，在常温或较低温条件下，氧气与氢气经所述催化剂催化反应生成水，进而去除氢气中的氧气。优选地，所述反应器的数量至少为1个，反应过程中以混合有氧气的氢气为原料，以氮气为稀释剂，氢气与氧气体积比为2-200，氢气与氮气的体积比为任意比值；可适应的反应温度为20-600℃，反应压力为0-0.4MPa，混合气空速为20000-120000mL/g/h。优选地，所述反应器根据氧含量和处理量的不同进行串联或并联分布；反应温度为20-40℃，反应压力为0-0.1MPa，混合气空速为35000-60000mL/g/h。优选地，所述反应器串联分布时，每一级或每几级反应器后面连接有换热器。优选地，所述压力为表压。优选地，所述反应器为绝热轴向固定床反应器、绝热径向固定床反应器或等温列管式固定床反应器中的任意一种或几种。有益效果：本专利技术公开了一种脱除氢气中氧气的催化剂，通过金属前驱体与载体的结合，增强了催化剂使用寿命；且催化剂具有较高的分散性和均匀度，在金属前驱体含量较低的情况下保证了催化剂较高的脱氧活性。金属前驱体包括Pt，还包括M和/或N，其中Pt作为氢气的活化中心，M可改变Pt的电子结构，以利于氢的吸附与解离，N可用于活化氧气以加快反应速率并降低催化剂的成本。同时，本专利技术公开了一种脱除氢气中氧气的催化剂的制备方法，通过乙二醇对催化剂进行还原制备，制备工艺和设备简单易操作，制备过程中可通过各参数的调节和设置对催化剂的品质进行调控，使得制备的催化剂分散性佳，均匀度高，脱氧活性高、稳定性强。另外，本专利技术公开了一种利用催化剂去除氢气中氧气的方法，通过将本专利技术的催化剂填充到一个或多个反应器中进行催化脱氧，反应过程中对于实际的氢浓度要求低，在常温或较低温下即可完成脱氧过程，并且反应过程中通过反应器的换热过程控制反应器的温度在合理范围内，大大节省能耗；另外，可针对不同的氧含量和氢气处理量采用多个反应器并联或串联进行处理，即氧含量高时对反应器进行串联，以实现逐级脱除，并通过逐级换热装置控制反应器温度；氧含量低时将反应器进行并联，增加处理量，保证氢气净化处理的高效性，并提高出口处的氢浓度，增加了工艺的灵活性。综上所述，本专利技术公开的一种脱除氢气中氧气的催化剂脱氧活性高，稳定性强，使用寿命长，制备方法简单、可控，且利用该催化剂对氢气进行脱氧处理的方法简单、灵活、高效，便于工业化推广使用。附图说明图1为本专利技术催化剂的制备装置；图2所示为本专利技术催化剂的制备流程图；图3所示为本专利技术催化剂的透射电镜图；图4所示为使用本专利技术催化剂进行氢气脱氧的工艺流程图；图5所示为使用本专利技术催化剂进行氢气脱氧的氧气转化率图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详述：实施例1一种脱除氢气中氧气的催化剂，包含金属前驱体和载体，其化学通式为PtRuFe/TiO2，其中金属前驱体，以重量百分比计，负载量分别为Pt0.6％，Ru0.3％，Fe0.2％；二氧化钛质量百分比为98.9％。进一步地，催化剂为灰色粉末状，比表面积为100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脱除氢气中氧气的催化剂，其特征在于：包含金属前驱体和载体；所述金属前驱体包括Pt，以重量百分比计，Pt的用量为0.01‑5％；所述载体为二氧化钛、三氧化二铝、炭黑或多壁碳纳米管中的任意一种。

【技术特征摘要】
1.一种脱除氢气中氧气的催化剂，其特征在于：包含金属前驱体和载体；所述金属前驱体包括Pt，以重量百分比计，Pt的用量为0.01-5％；所述载体为二氧化钛、三氧化二铝、炭黑或多壁碳纳米管中的任意一种。2.根据权利要求1所述的一种脱除氢气中氧气的催化剂，其特征在于：所述金属前驱体还包括M和/或N；所述M为Au、Pd、Ru或Rh中的任意一种，以重量百分数计，M的用量小于或等于5％；所述N为Fe、Ni、Co或Cu中的任意一种，以重量百分数计，N的用量小于或等于5％。3.根据权利要求1所述的一种脱除氢气中氧气的催化剂，其特征在于：所述催化剂为灰色粉末状，比表面积为50-200m2/g。4.根据权利要求1所述的一种脱除氢气中氧气的催化剂，其特征在于：Pt的粒径为1.6-3.2nm。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种脱除氢气中氧气的催化剂的制备方法，其特征在于：将所述金属前驱体的盐溶液与所述载体共同投入乙二醇溶液中，经过恒温加热反应和pH调节得到负载型产物，再经洗涤、干燥、焙烧得到所述催化剂。6.根据权利要求5所述的一种脱除氢气中氧气的催化剂的制备方法，其特征在于：具体的制备方法包括以下步骤：(1)配置含有所述金属前驱体的可溶性盐的乙二醇溶液I；(2)配置摩尔浓度1mol/mL的可溶性碱的乙二醇溶液II；(3)称取所述载体于三口圆底烧瓶中，加入乙二醇，充分超声分散成悬浊液；(4)量取乙二醇溶液I，置于称量瓶中超声分散；(5)将步骤(3)中的悬浊液置于油浴锅中搅拌，并滴加步骤(4)中超声分散制得的溶液，保护气下常温搅拌均匀；(6)调节乙二醇溶液II的pH值，并将其添加...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈秉辉，张华，孙菡蕾，郑进保，张诺伟，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35