氧化锆纳米盘载体上金催化剂催化反应示意图
水煤气变换 (WGS) 反应主要用于净化合成气, 为合成氨等反应过程提供洁净的H2来源。近年来, 由于以纯氢为燃料的车载质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的兴起, 使得这一经典反应再次引起研究者的极大兴趣。负载Au催化剂具有较高的低温活性、较宽的活性温区、较好的抗氧化性能及抗水性能, 因而被认为是最适合用于PEMFC苛刻操作环境的WGS催化剂之一。
目前, 具有较好WGS催化活性的负载Au催化体系包括Au/Fe2O3,Au/CeO2, Au/TiO2, Au/ThO2, Au/CuxMnyOz,Au/CeZrO4及Au/ZrO2等.其中, Au/ZrO2因性能优异而成为近年来的研究热点. 研究发现, ZrO2的晶型、颗粒及晶粒大小、表面羟基的浓度以及比表面积等性质对Au/ZrO2催化剂的性能有显著影响. 例如, Au负载在单斜相ZrO2(m-ZrO2)上比负载在四方相ZrO2(t-ZrO2 )上具有更高的低温WGS催化活性；ZrO2晶粒尺寸增大会减少催化剂的活性中心, 即Au-ZrO2接触边界的浓度等。而这些性质又直接由ZrO2的制备方法所决定, 因此选择合适的ZrO2制备方法对于提高催化剂性能、研究催化剂结构性能之间的关系以及进一步近期，福州大学化肥催化剂国家工程研究中心郑起等人采用一种简便的水热法合成了一系列 ZrO2, 并采用沉积-沉淀法制得相应1.0%Au/ZrO2催化剂, 在模拟甲醇重整气气氛下评价了它们的低温水煤气变换(WGS)反应催化性能. 结果发现, 于150℃水热合成的ZrO2负载的 Au催化剂活性最佳, 240℃反应时CO转化率达87%, 明显高于相同反应条件下Au负载量较高的Au/Fe2O3,Au/CeO2及Au/CeZrO4催化剂. 采用X射线衍射、原子吸收光谱、N2物理吸脱附及扫描电子显微镜等手段对样品进行了表征. 结果表明, Au/ZrO2 催化剂的总孔体积及平均孔径越大、圆形片状形貌越规整, 其低温 WGS 催化活性就越高。