一种低温制氢催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于低温制氢技术领域，具体涉及一种低温制氢催化剂及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：1)获取洁净的具有高电阻率的泡沫金属板；2)制备负载Mn和Co的泡沫金属板；3)在所述负载Mn和Co的泡沫金属板上原位生长纳米碳成分，得到待纯化催化剂材料，其中，Mn和Co分散在纳米碳成分的表面，纳米碳成分负载在泡沫金属板上；4)将所述的待纯化催化剂材料进行纯化，得到所述的低温制氢催化剂。泡沫金属板和纳米碳材料具有优异的导热和导电性能，在泡沫金属板两端通电发热，热量和电流同时作用于分散在纳米碳材料上的Mn

【技术实现步骤摘要】
一种低温制氢催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于低温制氢
，具体涉及一种低温制氢催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在碳达峰和碳中和的背景下，大力发展氢能是减低二氧化碳排放的重要途径。氢气作为二次能源，在自然界不存在，需要通过二次转化制备。通过催化重整反应将醇类(甲醇、乙醇)等有机物转化为氢气是制备绿色氢气的重要方法，是众多研究者关注的焦点。研究表明，在催化重整反应中主要面临两个问题：1.催化重整反应为强吸热反应，需要提供大量的外在热源；2.催化剂上容易生成积碳，特别是在600℃以上的反应温度，导致催化剂快速失活，降低氢气产量。为了保证制氢系统的经济性和稳定性，降低催化反应温度对抑制积碳生成和减小外在热源能耗两个方面上都有显著的效果。部分研究者开展了低温催化重整制氢的方法探究，主要以制备单原子催化剂、贵金属复合催化剂为主，虽然降低了催化温度，但催化温度仍然偏高；且贵金属催化剂制备成本高，限制了工业化应用。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种低温制氢催化剂及其制备方法和应用。本专利技术提供的自生长纳米碳材料分散Mn
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Co基复合金属催化剂，其具有热
‑
电协同催化的双重强化作用，从而提升Mn
‑
Co基催化剂的低温反应活性，实现了甲醇催化重整制氢反应温度降低至100～150℃区间内。
[0004]本专利技术所提供的技术方案如下：
[0005]一种低温制氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]1)获取洁净的具有高电阻率的泡沫金属板；
[0007]2)制备负载Mn和Co的泡沫金属板；
[0008]3)在所述负载Mn和Co的泡沫金属板上原位生长纳米碳成分，得到待纯化催化剂材料，其中，Mn和Co分散在纳米碳成分的表面，纳米碳成分负载在泡沫金属板上；
[0009]4)将所述的待纯化催化剂材料进行纯化，得到所述的低温制氢催化剂。
[0010]上述技术方案中，泡沫金属板和纳米碳材料具有优异的导热和导电性能，在泡沫金属板两端通电发热，热量和电流同时作用于分散在纳米碳材料上的Mn
‑
Co活性位上，从而发生热
‑
电协同催化制氢反应。
[0011]具体的，所述步骤2)包括以下步骤：
[0012]2a)将步骤1)得到的所述泡沫金属板在Mn盐和Co盐的混合液中进行浸渍；
[0013]2b)将浸渍后的材料进行疏孔；
[0014]2c)将疏孔后的材料依次进行干燥、煅烧和还原以进行活化，得到负载Mn和Co的泡沫金属板。
[0015]具体的：
[0016]步骤2a)中，Mn盐选自醋酸锰、硝酸锰或氯化亚锰中的任意一种；Co盐选自硝酸钴或氯化钴中的任意一种；Mn和Co的总的摩尔浓度为0.01～0.5mol/L；在超声波条件下进行浸渍，浸渍时间为1～2小时；
[0017]步骤2c)中，在空气条件下煅烧，煅烧温度为500℃～700℃，煅烧时间为1～3小时；在还原气气氛下还原，还原温度为500℃～700℃，还原时间为1～3小时。
[0018]具体的，所述步骤3)包括以下步骤：将负载Mn和Co的泡沫金属板在含碳气体、还原性气体、平衡气体的混合气体气氛中加热反应，得到所述的待纯化催化剂材料，反应温度为500℃～700℃，反应时间为1～3小时。
[0019]具体的，含碳气体选自甲烷、乙烯或乙炔等；还原性气体选自H2或CO等；平衡气体选自氮气或氩气。
[0020]具体的，所述步骤4)包括以下步骤：将待纯化催化剂材料通电加热至450℃～650℃，然后在水蒸气和氩气的混合气氛下反应，氧化去除材料表面的无定形碳，混合气氛中水蒸气的体积浓度为5％～40％。
[0021]具体的，所述低温制氢催化剂中，纳米碳成分与泡沫金属板的重量比为(0.1
‑
0.5):1；Mn和Co的总质量与泡沫金属板的重量比为(0.05
‑
0.5):1。
[0022]本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的低温制氢催化剂。
[0023]本专利技术还提供了上述催化剂的应用，用于制氢。
[0024]具体，制氢包括以下步骤：向所述催化剂通电，控制其温度达到100℃～150℃，并通入摩尔比为(0.3～1):1的甲醇和水的混合蒸汽，催化制氢。
[0025]上述技术方中，因为泡沫金属板和纳米碳材料具有优异的导热和导电性能，在泡沫金属板两端通电发热，热量和电流同时作用于分散在纳米碳材料上的Mn
‑
Co活性位上，从而发生热
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电协同催化制氢反应。与传统热催化相比，显著降低了制氢温度，提升了催化效率，并抑制了积碳生成。
[0026]具体的，催化剂的制备方法包括以下步骤：
[0027]1)预处理过程：选择高电阻率的泡沫金属板(包括泡沫镍铬钨、泡沫镍铬等)作为基体，对基体进行清洗
‑
干燥步骤的预处理，清洗包括分别利用乙醇、稀盐酸、去离子水清洗，去除泡沫金属表面的油渍和氧化层，干燥后得到预处理后的泡沫金属板。
[0028]2)改性浸渍过程：取泡沫金属板放入到Mn
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Co的混合溶液中，分别选择醋酸锰、硝酸锰、氯化亚锰等其中一种，硝酸钴、氯化钴等其中一种，配制Mn
‑
Co混合溶液，Mn和Co的摩尔浓度范围0.01～0.5mol/L。泡沫金属板在混合溶液中超声波浸渍1小时～2小时后取出样品，利用空气压缩机吹扫泡沫金属板，防止溶液堵塞孔隙；再经过干燥
‑
煅烧
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还原的活化处理，煅烧和还原温度在500℃～700℃区间内，时间在1小时～4小时；最后得到负载Mn和Co的泡沫金属板。
[0029]3)纳米碳材料原位生长过程：将负载Mn和Co的泡沫金属板放入到管式炉中，通入含碳气体(如甲烷、乙烯、乙炔等)/还原性气体(如H2、CO等)/平衡气体(如氮气、氩气等)的混合气体，管式炉升温至500℃～700℃，反应时间1小时～3小时，碳纳米管和多层石墨烯等纳米碳材料在泡沫金属板上可控生长，纳米碳材料的生成量控制在每克泡沫金属100mg～500mg之间。在纳米碳材料自生长过程中，Mn
‑
Co复合金属高度分散在纳米碳材料的表面，得到待纯化催化剂材料。
[0030]4)纯化处理过程：将待纯化催化剂材料的两端连接电极，施加电流使得高电阻率的泡沫金属板产生焦耳热效应，调节电流控制待纯化催化剂材料的温度。将待纯化催化剂材料加热至450℃～650℃，通入水蒸气/氩气气氛，水蒸气浓度为5％～40％之间。将待纯化催化剂材料上容易被氧化的无定形碳去除，降低无定形碳对催化剂活性的不利影响，提高纳米碳材料的纯度，从而制备得到低温制氢催化剂。
[0031]具体的，低温制氢包括以下步骤：调节低温制氢催化剂两端的电流大小，控制温度在100℃～150℃之间，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温制氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取洁净的具有高电阻率的泡沫金属板；2)制备负载Mn和Co的泡沫金属板；3)在所述负载Mn和Co的泡沫金属板上原位生长纳米碳成分，得到待纯化催化剂材料，其中，Mn和Co分散在纳米碳成分的表面，纳米碳成分负载在泡沫金属板上；4)将所述的待纯化催化剂材料进行纯化，得到所述的低温制氢催化剂。2.根据权利要求1所述的低温制氢催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：2a)将步骤1)得到的所述泡沫金属板在Mn盐和Co盐的混合液中进行浸渍；2b)将浸渍后的材料进行疏孔；2c)将疏孔后的材料依次进行干燥、煅烧和还原以进行活化，得到负载Mn和Co的泡沫金属板。3.根据权利要求2所述的低温制氢催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2a)中，Mn盐选自醋酸锰、硝酸锰或氯化亚锰中的任意一种；Co盐选自硝酸钴或氯化钴中的任意一种；Mn和Co的总的摩尔浓度为0.01～0.5mol/L；在超声波条件下进行浸渍，浸渍时间为1～2小时；步骤2c)中，在空气条件下煅烧，煅烧温度为500℃～700℃，煅烧时间为1～3小时；在还原气气氛下还原，还原温度为500℃～700℃，还原时间为1～3小时。4.根据权利要求1所述的低温制氢催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡松，何立模，谢玉仙，任强强，熊哲，韩亨达，江龙，汪一，苏胜，向军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：