[发明专利]一种纳米结构的La2CuO4催化剂材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米结构的La₂CuO₄催化剂材料及其制备方法与应用。本发明通过将硝酸镧、硝酸铜、十二烷基硫酸钠和碳纳米管加入去离子水后超声分散3~10h，得到溶液A；将氢氧化钠加入去离子水后超声分散5~20min，得到溶液B；将溶液B滴加到溶液A中得到前驱体溶液；对该前驱体溶液加热至50~80℃并保持30~60min；将前驱体溶液置于140~180℃温度环境中加热反应5~12h，将反应产物洗涤、离心，将所得到的黑色沉淀物干燥；将干燥后的黑色沉淀物置于管式炉煅烧，得到纳米结构的La₂CuO₄催化剂材料。本发明方法简单，适于工业化生产，所得到的催化剂材料在用于甲醇催化分解制氢时，所需反应温度更低，催化性能更佳。

技术领域

本发明属于纳米材料科学领域，尤其涉及一种纳米结构的La₂CuO₄催化剂材料、制备方法以及该材料在甲醇催化分解制氢方面的应用。

背景技术

随着经济社会的快速发展，人类面临能源短缺和环境破坏问题的威胁越来越严重，因此迫切需要开发可再生能源以保证人类社会的可持续发展。由于氢气燃烧只产生H₂O，对环境没有任何污染，且H₂燃烧产生的能量非常高，因此，氢能是清洁高效的可再生能源。氢气利用的最大障碍在于它存储与配给的困难，H₂作为一种气体，在存储时必然会占据大量的空间，且对存储装置的要求也非常高，另外，在运输和配给过程中也存在较大问题。

虽然氢气不存在于大气中，但它富含于多种有机燃料中，因此，可以将有机燃料直接裂解即时转化为氢气，就可以有效地解决氢能存储与配给的困难。在众多的有机燃料中，甲醇具有相对温和的氢转化的条件，例如较低的转化温度和较小的转化压强，同时甲醇可以大规模地合成，且毒性较小，其储运和配给也非常方便。因此甲醇是未来最有前途的高携能燃料，其催化转化制氢已成为近年来能源与环境科学家们关心的热点问题之一。

甲醇水蒸气重整制氢在理论上产氢效率较高，产氢率为1: 3，产物主要为H₂和CO₂，其转化温度为200～500℃，反应过程中催化剂的活性和稳定性直接影响到反应的转化温度和转化效率。目前，甲醇重整制氢催化剂的研究多集中于Cu系催化剂和贵金属Pd负载催化剂，对于贵金属负载催化剂，由于价格昂贵致使其无法大规模投入实际应用；而在Cu系催化剂中，虽然有些活性较好，比如Cu/ZnO（Hironori Nakajima, et al. InternationalJournal of Hydrogen Energy, 2016, 41: 16927-16931）和Cu/ZrO₂（Cheng-Zhang Yao,et al. Applied Catalysis A: General, 2006, 297: 151-158）二元或多元催化剂，但它们的催化反应活性温度较高，经过长时间的高温反应，催化剂容易结块而失活，从而导致制氢过程无法持续进行下去。因此，开发出具有低温活性和高稳定性的催化剂对甲醇催化分解制氢过程的实际应用起着至关重要的作用。

La₂CuO₄是由钙钛矿层（ABO₃）和盐岩层（AO）沿c轴方向以1:1的比例相互交叠形成的层状钙钛矿型（A₂BO₄）复合氧化物（李意峰，溶胶-凝胶法制备La₂CuO₄粉体及光学性能研究，硕士学位论文，陕西科技大学，2012）。La₂CuO₄具有良好的催化活性和热稳定性，可以取代贵金属成为廉价的催化剂；目前有关La₂CuO₄的研究主要集中于其超导性能及对有害气体的催化消除领域，而对其在光催化分解水以及制备氢能源领域的报道较少。因此，研究钙钛矿型La₂CuO₄的制备方法及其在催化制氢领域的应用，对制备绿色无污染的氢能源具有重大的意义。

发明内容