[发明专利]一种钼基二氧化钛纳米阵列催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钼基二氧化钛纳米阵列催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以钛酸四丁酯、盐酸、甲基硅油和去离子水制备而成的二氧化钛纳米阵列为载体，以氧化钼为催化活性组分。以载体质量为基准，活性组分的质量百分含量为5％～10％。特定体积配比的钛酸四丁酯、盐酸、甲基硅油和去离子水经一步水热法制备成二氧化钛纳米阵列载体后，将活性组分前驱体溶液和载体搅拌均匀并干燥焙烧后制得钼基二氧化钛纳米阵列重整制氢催化剂。所制备的催化剂组分环境友好，低温下重整甲醛制氢H₂选择性高、制备工艺简单，具有广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明提供一种钼基二氧化钛纳米阵列催化剂及其制备方法和应用，属环保催化和和新能源技术领域。

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CN201910428909.X公开了以纳米金为催化活性组分、废旧商用钒钛催化剂陶瓷作载体的重整制氢催化剂，氢气选择性高，但其利用贵金属作为活性组分，成本较高。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。专利CN201910668738.8公开了一种以废旧钒钛脱硝催化剂为原料的重整制氢催化剂，虽然能够实现废旧钒钛脱硝催化剂的无害化处置，且高附加值资源化制氢，但其反应温度通常需要450℃才能使氢气选择性达到100％，反应温度相对较高。因此，重整制氢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。

二氧化钛具有价格便宜、原料易得、无毒、性能稳定等优点，是催化剂常用的载体之一。其中，二氧化钛纳米阵列不仅具有丰富的表面酸性，且具有择向生长的优势，能够促进催化性能的提高。TiO₂纳米棒阵列的常规制备方法主要是利用水热法在FTO导电玻璃上生长，但这种制备方法制备出的二氧化钛纳米阵列因为与导电玻璃相连，不能用作重整制氢催化剂载体。与此同时，常规重整制氢催化剂以贵金属或NiO作为活性组分，其中贵金属催化剂活性与选择性高，但价格昂贵；NiO基催化剂价格便宜，且具有较高的选择性和活性，但其催化剂表面容易积碳，导致寿命较短，不能够实际规模化应用。

发明内容

针对现有重整制氢催化剂的现状及存在问题，本发明创新性地提出利用钛酸四丁酯、盐酸、甲基硅油和去离子水制备二氧化钛纳米阵列，同时以氧化钼作为活性组分，制备高性能甲醛重整制氢催化剂。本发明的成功应用不仅能够实现二氧化钛纳米阵列的无模板可控合成，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：

一种钼基二氧化钛纳米阵列催化剂，该催化剂以钛酸四丁酯、盐酸、甲基硅油和去离子水制备而成的二氧化钛纳米阵列为载体，以氧化钼为催化活性组分；以载体质量为基准，活性组分的质量百分含量为5％～10％。

在一些具体的技术方案中：该催化剂是通过如下方法制备得到：

(1)载体制备