[发明专利]一种以生物质活性炭为载体的金纳米花的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种以生物质活性炭为载体的金纳米花的催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以废弃柚子皮制备成多孔活性炭载体，以金纳米花为催化活性组分。以载体质量为基准，活性组分的质量百分含量为0.1％～0.3％。将废弃柚子皮经烘干、预氧化、碳化、粉碎、活化等工艺制备成多孔活性炭载体，利用抗坏血酸将活性组分前驱体溶液还原成金纳米花胶体溶液，并将多孔活性炭载体浸渍于活性组分胶体溶液中，经干燥得到重整制氢催化剂。该重整制氢催化剂不仅能够实现废弃柚子皮的资源化利用，而且低温下重整甲醛制氢H₂选择性高、贵金属含量低、制备工艺简单，同时能够解决重整制氢催化剂积碳问题，具有广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明涉及一种以生物质活性炭为载体的金纳米花的催化剂及其制备方法和应用，属废弃产品资源化利用和新能源技术领域。

背景技术

随着全球性能源短缺问题的日趋严峻，清洁能源的开发与利用迫在眉睫。氢气作为一种清洁、高效、可再生能源，正受到全球科研工作者的广泛关注。商业制氢的工艺主要有电解水制氢、煤气化制氢和催化重整制氢三大类，其中催化重整制氢是最具发展潜力的制氢工艺之一。目前，催化重整制氢工艺的氢源主要是甲烷、乙醇、甲醇等，这些氢源本身具有一定的能源利用性，其能源转化途径并不具备附加值增益。因此，开发低品质有机物催化重整制氢技术具有变废为宝、高附加值等重大意义。催化剂是催化重整制氢工艺的核心。专利CN20061013084.7公开的以过渡金属混合氧化物为活性组分，以氧化铝和氧化镁为复合载体的催化剂，具有较高的乙醇转化率，氢气选择性达到60％。专利 CN96100965.9A公开了一种将汽油转化成富氢气体的铂钯催化剂，其富氢气体中，氢气含量为17％，甲烷含量为62％，但其活性组分贵金属负载量高，且氢气选择性较低。专利CN01138906.0A公开的以RuO₂为催化活性组分，以稀土元素氧化物为助催化剂的汽油氧化重整制氢催化剂，在820℃条件下氢气选择性达到1.5～1.7mol(H₂+CO)/mol C，其反应温度偏高，能耗较高。因此，催化剂的设计目的主要在于提高催化剂的选择性，降低催化剂活性负载量以及降低催化反应温度。

活性炭因其比表面积大，效率高等性质成为催化剂常用的载体之一，近年来利用生物质废弃物制备的活性炭在催化和吸附等领域的研究逐渐得到人们关注。农业生物质废弃物量大，其堆放会导致环境受到破坏，且农业废弃物价格低廉，灰分低，硬度适中，是活性炭制备的丰富资源。因此，农业废弃物制备活性炭既能解决环境问题，也能降低活性炭制备成本。专利CN106824076A将废弃柚子皮经过干燥、粉碎、焙烧、活化、煅烧等步骤制备活性炭，并用于吸附水中Cu²⁺，其具有较好的吸附性能，最大吸附量为117.6mg/g，但其吸附Cu²⁺饱和后仍然需要进行脱附。专利CN108660481A公开了一种新型氮掺杂生物碳基多孔电催化剂的制备方法，其制备的催化剂不仅具有优异的电催化析氢性能，且产率高，但其利用的水热碳化方法很难规模化实际应用，且电催化析氢产氢速率较小。柚子皮是一种常见的农业废弃物，产量大，利用率低，造成极大的浪费，目前，以柚子皮制备活性炭并以此作为重整制氢催化剂载体的研究尚未见报道。

发明内容

鉴于国内具有大量农业柚子皮废弃物，本发明创新性地提出利用废弃柚子皮制备的活性炭作为载体，金纳米花作为活性组分，制备高性能甲醛重整制氢催化剂，从根本上解决大批量废弃柚子皮，并实现其高附加值资源化利用。本发明的成功应用不仅会彻底解决废弃柚子皮的处理问题，同时作为重整制氢催化剂也会极大地解决甲醛污染和能源短缺问题，从而带来巨大的经济、环保和社会效益。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种以生物质活性炭为载体的金纳米花的催化剂，该催化剂以废弃柚子皮制备成多孔活性炭载体，以金纳米花为催化活性组分，抗坏血酸为还原剂；其中：以载体质量为基准，活性组分金纳米花的质量百分含量为0.1％～0.3％。

本发明技术方案中：该催化剂是通过如下方法制备得到：

(1)还原剂溶液制备