一种单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法和应用。具体是：利用硝酸铈(Ce(NO3)3·

【技术实现步骤摘要】
一种单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料和催化
，具体地说是一种单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]单原子催化剂(single atom catalyst，SAC)是一种特殊的负载型金属催化剂，专指载体上的所有金属组分都以单原子分散的形式存在，不存在同原子金属
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金属键。正因为其特殊的结构而呈现出显著的不同于常规纳米催化剂的活性、选择性和稳定性。单原子催化剂所表现出的优异性能立即引起世界范围内对于单原子催化剂的研究热潮，随着先进表征技术(同步辐射X射线吸收、球差电镜等)的发展，单原子催化剂使在亚埃级原子尺度上阐明催化剂的构效关系成为了现实，为催化机理的研究提供了可操作的平台。现有的单原子催化剂制备方法大致可分为两大类：一类需要较为先进前沿的仪器，如质量选择质谱和ALD等；另一类则属于传统催化剂制备方法，如湿化学方法，包括共沉淀、浸渍、沉积
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沉淀和光/电化学沉积等。但前者制备条件苛刻、成本高昂、不能大规模生产；后者则原子分散性不佳、制备各环节要求苛刻、大规模生产污染严重。
[0003]以可再生乙醇为原料的乙醇水蒸气重整(ethanol steam reforming，ESR)制氢，由于产氢效率高、乙醇可持续性生产(生物发酵)以及低毒性，被认为是一种具有理想应用前景的制氢途径。但ESR反应是一个强吸热反应，通常只能在高温条件下进行。在乙醇重整产氢反应的同时伴随着许多副反应，如乙醇分解、氢解、脱水以及羟醛缩合等，产生多种副产物，因此乙醇重整产氢是一个非常复杂的反应过程。而且在反应过程中，高温会导致催化剂烧结失活，而且高温还会带来大量的积炭，严重影响催化剂活性。因此人们一直致力于开发一种高效、稳定的催化剂催化ESR，目前催化效果较好的是贵金属催化剂，但其成本高昂，所以大量非贵金属催化剂被开发出来，但无疑都面临烧结、积炭等问题。而单原子催化剂由于其活性成分足够分散，有大量的活性位点，而且单个存在积炭对其影响较小，所以单原子催化剂是当下催化ESR的一个有潜力的发展方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法和应用，以解决现有单原子催化剂制备工艺成本高、不能大规模生产、以及乙醇水蒸气重整制氢催化剂需要高温、易失活等问题。
[0005]本专利技术是这样实现的：
[0006]本专利技术针对目前单原子催化剂制备工艺条件苛刻、成本高昂、不能大规模生产及容易造成污染等问题，同时，乙醇水蒸气重整制氢催化剂具有需要高温、易失活的不足，因此，提出了一种新的单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法以及低反应温度催化乙醇重整制氢的单原子Fe/CeO2催化剂。单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法具体是利用柠檬酸作为络合剂，乙二胺和硝酸作为膨化剂，通过干燥、氩气中煅烧、空气退火得到二维的大比表面积的单原
子Fe/CeO2催化剂，该催化剂可以在低温下催化ESR，且催化效率高。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]如图1所示，单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法包含以下步骤：
[0009]1)将一定量的柠檬酸和硝酸铁、硝酸铈溶解于去离子水中，搅拌均匀，形成混合溶液；Fe：Ce原子比在5～20：100。
[0010]2)在步骤1)所得的混合溶液中先后加入一定量的乙二胺、硝酸，搅拌一段时间后加入氨水直至溶液pH值至6左右，搅拌、干燥溶液呈熔融态后放入鼓风干燥箱干燥24h，得到催化剂前驱体。
[0011]3)将步骤2)所得催化剂前驱体放入管式炉的石英管中，石英管通氩气一个小时排出空气，同时管式炉以10℃/min的升温速率升温到400℃，然后将石英管放入管式炉并保温3h。
[0012]4)将步骤3)煅烧后的样品放入马弗炉中，在空气环境下以10℃/min的升温速率升温到400℃，保持3h。
[0013]进一步，步骤1)中除硝酸铁、硝酸铈以外，还可添加硝酸镍对催化剂进行改性。
[0014]本专利技术公开了一种上述方法用于制备单原子Fe/CeO2催化剂，所制备的单原子Fe/CeO2催化剂晶型为单相结构；形貌为多孔状纳米片结构，厚度为1～50nm；单原子Fe/CeO2催化剂的比表面积为30～400m2g
‑1。单原子Fe/CeO2催化剂具有组分可调、元素分布均匀的特点。且进一步通过对活性成分进行调整，得到了单原子5Ni15Fe/CeO2催化剂。
[0015]本专利技术进一步公开了利用溶胶凝胶法制备单原子Fe/CeO2催化剂，并应用于乙醇水蒸气重整制氢。具体来说，以氩气作载气，并将乙醇水溶液通过微量注射泵注入反应装置，通过加热测试产氢性能。结果显示，单原子Fe/CeO2催化剂催化ESR时具有较好的氢气选择性和性能，并且所需反应温度低于其它催化剂。而对单原子Fe/CeO2催化剂改性的尝试中，在活性成分中添加Ni能提高氢气产率。
[0016]本专利技术具有如下优势：
[0017]1)本专利技术制备单原子Fe/CeO2催化剂的方法最高温度仅为400℃，制备温度低。
[0018]2)本专利技术制备单原子Fe/CeO2催化剂的设备只需要鼓风干燥箱、管式炉、马弗炉，相对于其它制备单原子催化剂的方法，具有设备简单，成本低的优势。
[0019]3)本专利技术单原子Fe/CeO2催化剂制备过程简单，变量易控，可大规模生产，不会形成污染。
[0020]4)本专利技术可通过对单原子Fe/CeO2催化剂的活性成分进行调整，进一步提高氢气产率。
附图说明
[0021]图1是本专利技术所提供的单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法的流程图。
[0022]图2是本专利技术实施例1中所得的单原子Fe/CeO2催化剂的结构表征及形貌表征。
[0023]图3是本专利技术实施例1中所得的单原子Fe/CeO2催化剂的形貌及元素分布图。
[0024]图4是本专利技术实施例1中所得的单原子Fe/CeO2催化剂的热催化乙醇水蒸气重整制氢性能图。
[0025]图5是本专利技术实施例2中所得的单原子5Ni15Fe/CeO2催化剂的热催化乙醇水蒸气
重整制氢性能图。
[0026]图6是本专利技术实施例3中所得的单原子Fe/Ce
0.5
La
0.5
O
x
催化剂的热催化乙醇水蒸气重整制氢性能图。
具体实施方式
[0027]下面结合实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0028]实施例1，单原子Fe/CeO2催化剂的制备。
[0029]单原子Fe/CeO2催化剂的合成步骤如下：
[0030](1)将5g柠檬酸溶于10mL水中，搅拌溶解15min。
[0031](2)在柠檬酸水溶液中加入0.28g Fe(NO3)2·
9H2O和2g Ce(NO3)3·
6H2O，Fe：Ce原子比为15：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：a、将柠檬酸溶于水中形成柠檬酸水溶液，向柠檬酸水溶液中加入Fe、Ce的硝酸盐；b、向步骤a所得溶液中加入乙二胺、硝酸、氨水，形成胶体，之后进行干燥，得到催化剂前驱体；c、在氩气环境下，使催化剂前驱体在管式炉中煅烧；d、在空气环境下，使步骤c煅烧后的样品进行退火，得到单原子Fe/CeO2催化剂。2.根据权利要求1所述的单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法，其特征是，步骤a中，除向柠檬酸水溶液中加入Fe、Ce的硝酸盐外，还加入Ni的硝酸盐对单原子Fe/CeO2催化剂进行改性。3.根据权利要求1所述的单原子Fe/CeO2催化剂的制备方法，其特征是，步骤a中，Fe：Ce原子比为5～20：100。4.根据权利要求1所述的单原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁大超，李开銮，
申请(专利权)人：河北农业大学，
类型：发明
国别省市：