[发明专利]一种低温水汽变换反应及其催化剂

说明书

本发明提供一种低温水汽变换反应方法及其催化剂。所述方法包括使用CuO/ZnO‑ZrO₂复合纳米催化剂催化一氧化碳和水蒸汽反应生成二氧化碳和氢气，反应压力为常压，反应温度为100～300℃；所述CuO/ZnO‑ZrO₂复合纳米催化剂包括助剂ZrO₂、沉淀于所述助剂ZrO₂上的载体氧化锌、以及沉淀于所述载体氧化锌上的活性组分氧化铜，其中氧化铜的含量为10wt％～60wt％，氧化铜和氧化锌的物质的量之比为0.5～2。本发明提供的水汽变换反应条件温和，所使用的催化剂具有优异的催化活性和好的稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种低温水汽变换反应及其催化剂。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。社会经济的持续发展，使人们对能源的需求与日俱增。传统的能源储量有限，而且在燃烧时会释放有害气体，不仅污染环境，而且危害人体健康。因此发展清洁、高效、可持续的新型能源已迫在眉睫。氢能被视为最理想的新能源，它来源广泛，燃烧热值高，清洁无污染，而且安全性好，可储能，利用形式也很多，目前以燃料电池技术为基础的应用比较广泛。但是，燃料电池在发电过程中所需要的氢气不能安全存放，因此需要原位生产氢气。即在原料电池前加一个原料处理器，通过燃料重整制氢作为燃料电池的氢源。然而，重整阶段会有大量CO产生，不仅污染环境，而且会使燃料电池中的催化剂中毒失活。因此，有必要降低重整气中CO的含量，例如通过水汽变换反应(CO+H₂O→CO₂+H2)，它在消除CO的同时也会产生同样体积的氢气。另外，水汽变换反应在合成氨、合成甲醇等方面也得到了广泛的应用。

目前工业上普遍使用的水汽变换催化剂有铁铬系高温变换催化剂(300～450℃)、铜锌系低温变换催化剂(190～250℃)，钴钼系宽温耐硫变换催化剂(190～450℃)，也有文献报道贵金属催化剂。其中，铁铬系高温变换催化剂低温活性偏低，铬是剧毒物质，在生产、使用和处理过程会污染环境、毒害人类的健康。铜锌系低温变换催化剂抗热性和抗硫性差，也限制了其应用范围。钴钼系宽温耐硫变换催化剂在使用前需要繁琐的硫化过程，使用中需要保证一定的硫含量和较低的汽气比，以防止催化剂反硫化。贵金属催化剂价格昂贵，具有稀缺性，可用性有限。

虽然现在已经研究出很多种水汽变换催化剂，但是制备出低温活性高、稳定性好、寿命长的催化剂仍然是一个极具挑战的难题。

发明内容

本发明的目的在于提高一种使用新型催化剂在反应温和条件下能够高效催化一氧化碳和水蒸汽的水汽变换反应方法，该方法的反应温度低、能耗小，且催化剂在使用过程中能长时间保持较高的活性，具有好的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种低温水汽变换反应方法，所述方法包括使用CuO/ZnO-ZrO₂复合纳米催化剂催化一氧化碳和水蒸汽反应生成二氧化碳和氢气，反应压力为常压，反应温度为100～300℃；所述CuO/ZnO-ZrO₂复合纳米催化剂包括助剂ZrO₂、沉淀于所述助剂ZrO₂上的载体氧化锌、以及沉淀于所述载体氧化锌上的活性组分氧化铜，其中氧化铜的含量为10wt％～60wt％，氧化铜和氧化锌的物质的量之比为0.5～2。

在一种具体的实施方式中，所述反应温度优选为160～200℃，所述氧化铜的含量优选为20wt％～40wt％。

在一种具体的实施方式中，所述CuO/ZnO-ZrO₂复合纳米催化剂采用分步沉淀法制备，所述分步沉淀法包括：

(1)将可溶性锌盐与水混合均匀后，加入预处理的ZrO₂，超声溶解，然后在搅拌的条件下缓慢加入碱性溶液，调节pH值为8～11，滴定完成后继续搅拌10～40min，得到第一混合液；