不同比例稀土氧化物掺杂对金催化剂性能的影响
随着燃料电池的兴起, 负载Au催化剂由于具有优异的水煤气变换(WGS)反应性能而再次成为研究热点.报道的催化剂体系主要有Au/TiO2,Au/Fe2O3, Au/ZnO,Au/ZrO2, Au/MoO2和Au/CeO2, 其中Au/Fe2O3和Au/CeO2催化剂因分别在低温(200~250℃)和高温(350~ 450℃)表现出较好的性能而备受关注. 但所有的负载Au催化剂稳定性均较差, 特别是在含有H2和CO2的模拟燃料电池重整气气氛中, 催化剂失活较快, 因而很大程度上限制了Au催化剂在燃料电池中的应用.
为了提高Au/Fe2O3催化剂的稳定性, 人们在制备方法和助剂改性上进行了大量的研究. Hua等考察了经不同金属氧化物改性后的Au/Fe2O3-MOx催化剂在WGS反应中的性能. 结果表明, ZrO2的添加能明显提高Au/Fe2O3催化剂的WGS反应活性和稳定性. Karpenko等对 Au/CeO2催化剂在WGS反应中的失活机理进行了研究, 发现表面碳酸盐的形成和催化剂中Aun+和Ce3+物种含量的变化对其失活行为影响很大.
稀土元素因具有顺磁性、晶格氧的可移动性和阳离子可变价等性质, 常被用作负载型金属催化剂的助剂. Li等研究了稀土掺杂对CeO2-ZrO2固溶体催化性能的影响, 结果表明, 稀土金属的引入可以显著改善催化剂的比表面积和热稳定性. Andreeva等采用沉积沉淀法制备了 La, Sm, Gd, Yb和Y等稀土元素掺杂的Au/CeO2催化剂, 发现添加Yb和Sm的样品具有较好的WGS反应活性. 然而, 目前有关改善Au/CeO2催化剂在WGS反应中稳定性的研究却鲜有报道.
福州大学化肥催化剂国家工程研究中心郑起等人采用沉积沉淀法制备了一系列Au/CeO2-RE2O3(RE=Nd, Eu, Sm, Y) 和不同Y2O3添加量的Au/CeO2-Y2O3水煤气变换(WGS)反应催化剂, 通过N2吸附-脱附、X射线粉末衍射、H2程序升温还原和Raman光谱等手段对催化剂进行了表征. 结果表明, Y2O3的引入能有效提高Au/CeO2体系WGS反应的活性和稳定性, 其中Ce/Y摩尔比为35时催化剂活性和稳定性最高. 这是由于该添加量的Y2O3能最大程度提高Au/CeO2催化剂的结构稳定性, 形成较高表面氧缺陷, 有效增强Au与载体间相互作用.