一种碳化钼基催化剂及其制备方法与应用

本发明涉及制氢催化剂领域，尤其是涉及一种碳化钼基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氢能是一种清洁、高效、可持续的新二次能源，可直接作为氢燃料电池汽车的燃料。然而，由于氢具有密度极低，高扩散性，易燃易爆等特征，使得氢燃料的运输和储存变得十分困难。为解决以上问题，可采用含氢元素液态燃料，如甲醇、乙醇、或汽油等通过水蒸气重整制氢原位供给氢燃料电池被认为是最可行的途径之一。相比而言，甲醇由于不含硫元素、无碳碳键、廉价、容易储存和运输、重整反应温度低等优点而成为重整制氢原料的最佳选择。

2、现有公开报道的甲醇水蒸气重整制氢的催化剂主要有两类：一类是非贵金属催化剂，主要包括铜(cu)基催化剂，如铜/氧化锌/氧化铝(cu/zno/al2o3)、铜/氧化锌/二氧化镐(cu/zno/zro2)等，另一类是贵金属催化剂，最典型的代表是铂(pd)基催化剂，如pd/zno、pd/zno/zro2等。其中，在反应温度大于250℃条件下，cu基催化剂具有较高的催化活性和较好的二氧化碳(co2)选择性；但在反应过程中，cu活性组分容易发生团聚，进而导致催化剂失活。相比之下，pd基催化剂的催化稳定性较好，但其制氢活性不高，且co2选择性较低。

3、与以上两类催化剂不同，碳化钼基催化剂由于存在独特的电子结构，可与负载金属相互协同，因而在较低反应温度下仍具有非常高的甲醇重整制氢活性。专利cn104707636b公开了一种pt/α-moc1-x催化剂的制备方法及其在水相重整甲醇的应用。该公开报道的催化剂尽管在低温条件下表现出较高的制氢活性，但在稳定性测试过程，其甲醇水相重整制氢性能逐渐下降，同时生成一定量的副产物co。此外，专利cn110075889b公开了zn-pt/moc催化剂的制备方法及其在甲醇水蒸气重整制氢的应用。该公开报道的催化剂尽管在低温条件下具有较好的催化稳定性，但其制氢活性仍较低，无法满足氢燃料电池对供氢体系的要求。

4、总之，要想将甲醇水蒸气重整制氢应用于氢燃料电池，亟需设法提高重整催化剂的制氢效率和减少反应副产物co的产生，同时还应降低重整反应的温度和提高催化剂的稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碳化钼基催化剂及其制备方法与应用，可以有效提高催化剂的制氢效率和减少反应副产物co的产生，同时还降低重整反应的温度和提高催化剂的稳定性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一在于提供了一种碳化钼基催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、a1、将钼金属氧化物焙烧、氮化、碳化、钝化，得到立方相碳化钼(α-moc)；

5、a2、将步骤a1得到的α-moc与铂金属化合物、改性活性炭混合研磨，真空干燥、活化、钝化，得到c-pt/α-moc催化剂，即目标产物。

6、进一步地，在步骤a1中，所述钼金属氧化物包括钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵、磷钼酸中的一种或多种的组合，且其铂含量占c-pt/α-moc催化剂质量分数为0.01～5.0wt％。

7、进一步地，在步骤a1中，所述焙烧的条件为：在400～700℃焙烧1～8h，升温速率为1～10℃/min。

8、进一步地，在步骤a1中，所述氮化的条件为：氮化气氛包括20％nh3/ar，50％nh3/ar，100％nh3中的一种或多种的组合，氮化气氛流量为10～100ml/min，氮化温度为500～900℃，升温速率为1～5℃/min。

9、进一步地，在步骤a1中，所述碳化的条件为：碳化气氛为碳源和氢源的混合物，碳源包括ch4、c2h6、c3h8，氢源包括h2，碳源与氢源的体积比为5％～50％，碳化气氛流量为10～100ml/min，碳化温度为500～900℃，碳化时间为1～6h，升温速率为0.5～5℃/min。

10、更进一步地，所述碳化气氛包括20％ch4/h2、20％c2h6/h2、20％c3h8/h2中的一种或几种的组合。

11、进一步地，在步骤a1中，所述钝化的条件为：钝化气氛为0.5％～1.5％o2/ar，钝化气氛流量为10～50ml/min。

12、进一步地，在步骤a2中，所述铂金属化合物包括六氯铂酸铵、氯铂酸、二氯化铂中一种或多种的组合，且其铂含量占c-pt/α-moc催化剂质量分数为0.01～10.0wt％。

13、进一步地，在步骤a2中，所述改性活性炭的碳含量占c-pt/α-moc催化剂质量分数为0.01％～20.0wt％；其制备过程为：将活性炭研磨筛选，与20wt％～50wt％hno3溶液混合，在70～80℃下加热24～72h，抽滤至滤液为中性，得到改性活性炭。

14、更进一步地，研磨筛选过程为：先采用研钵研磨至很细，再过200目筛子，得到粒径<75μm的颗粒，使活性炭非常细小。

15、进一步地，在步骤a2中，所述α-moc、铂金属化合物中铂金属、改性活性炭的质量比为100：(0.1～2)：(0.1～9)。

16、更进一步地，所述α-moc、铂金属化合物中铂金属、改性活性炭的质量比为100：1：(0.5～5)。

17、进一步地，在步骤a2中，所述真空干燥温度为0～100℃，干燥时间为12～48h。

18、进一步地，在步骤a2中，所述活化的条件为：碳化气氛为碳源和氢源的混合物，碳源包括ch4、c2h6、c3h8，氢源包括h2，碳源与氢源的体积比为5％～50％，包括20％ch4/h2、20％c2h6/h2、20％c3h8/h2中的一种或几种的组合，碳化气氛流量为10～100ml/min，碳化温度为500～900℃，碳化时间为1～6h，升温速率为0.5～5℃/min。

19、进一步地，在步骤a2中，所述钝化的条件为：钝化气氛为0.5％～1.5％o2/ar，钝化气氛流量为10～50ml/min。

20、本发明的技术方案之二在于提供了一种碳化钼基催化剂，其采用上述的制备方法制备得到。

21、本发明的技术方案之三在于提供了一种碳化钼基催化剂在甲醇重整制氢领域的应用。

22、进一步地，将所述c-pt/α-moc催化剂应用于甲醇重整制氢领域，其反应条件为：反应温度为100～200℃，反应压力为1atm，h2o/ch3oh的摩尔比为0.3～3.0，质量空速为0.1～2.0h-1。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、(1)本发明通过α-moc与铂金属化合物、改性活性炭制备c-pt/α-moc催化剂，添加活性炭一方面可以有效提高催化剂体相的α-moc1-x晶相比例，另一方面可以调控铂金属与α-moc载体间作用力，获得粒径较小的铂金属颗粒，同时pt颗粒与载体间存在非常强的相互作用，使得该催化剂活性性能较好。另外，各材料的作用如下：该反应为甲醇和水蒸气反应，该反应为结构敏感性反应，即催化活性组分pt颗粒应该是越小越好。反应过程，α-moc作为催化剂的载体，它具有非常高的活化甲醇活性和活化水的能力，一方面使甲醇脱氢变为甲氧基，另一方面吸附水分子，然后pt颗粒作为活性组分才可以进行下一步反应，因此，添加活性炭，一方面是希望获得更高比例的α-moc，这其中moc有两种晶型，有α-moc和β-moc，添加活性炭可以在该催化剂活化过程保持α-moc晶相，且可以防止pt颗粒增长。

25、(2)本发明所述制备的c-pt/α-moc催化剂中pt颗粒与α-moc载体间存在非常强的相互作用，加入改性活性炭后，pt颗粒与α-moc载体间通过电子得失的方式，存在电子间作用力，进而产生强相互作用，该作用可使得在反应过程，不容易发生铂颗粒增长，即催化活性组分不易变大，大体保持原有形貌，进而甲醇水蒸气重整制氢的稳定性变好，可在160℃下相对稳定运行24h。