賈青青，胡石林，劉亞明

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 特種材料工程部，北京 102413

載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)Pt/疏水陶瓷催化劑性能的影響

賈青青，胡石林，劉亞明

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 特種材料工程部，北京 102413

選用五種不同孔結(jié)構(gòu)疏水陶瓷載體，采用浸漬-氣相還原法制備用于水-氫交換的Pt/疏水陶瓷催化劑，經(jīng)X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、H2-程序升溫還原法(H2-TPR)及CO脈沖吸附等物性表征及催化劑催化活性(以催化交換活性kya表征)測(cè)試來(lái)考察載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑性能的影響。結(jié)果表明，隨著平均孔徑的降低，載體比表面積增加，催化劑鉑粒子分散度提高，在30～70 nm平均孔徑范圍內(nèi)，催化劑活性隨載體孔徑的下降而得以提升；當(dāng)平均孔徑小于20 nm時(shí)，反應(yīng)氣難以在較短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散至載體孔道內(nèi)，相同時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的活性位點(diǎn)總數(shù)較少，從而使得其催化活性有所下降。此外，載體孔隙率過(guò)高雖有助于提升比表面積，卻使得載體結(jié)構(gòu)較為疏松，在催化劑制備過(guò)程中載體孔結(jié)構(gòu)易被破壞，對(duì)提升催化活性無(wú)利。平均孔徑為37.5 nm、載體比表面積為111.01 m2/g、孔隙率為68.76%的載體可獲得最優(yōu)的催化效果，催化劑測(cè)試用量為4.5 mL、氫氣流速為4.23 L/min時(shí)，其催化交換活性可達(dá)6.45 s-1。

載體孔結(jié)構(gòu)；氫同位素分離；疏水陶瓷催化劑

水氫同位素催化交換技術(shù)廣泛應(yīng)用于重水升級(jí)、重水脫氚等領(lǐng)域，其技術(shù)關(guān)鍵是制得性能優(yōu)良的疏水催化劑[1-3]。目前得以廣泛應(yīng)用的疏水催化劑主要為由高分子材料直接作為載體的Pt/有機(jī)類催化劑及由活性炭作為載體與聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合制得的Pt/C/PTFE類催化劑，高分子材料可為催化劑提供優(yōu)異的疏水環(huán)境。其中Pt/有機(jī)類催化劑制備工藝簡(jiǎn)單，然而高分子材料耐溫性差，使用壽命有限，且較難制備成大顆粒，無(wú)法滿足處理能力大的系統(tǒng)；Pt/C/PTFE類載體需要由PTFE來(lái)構(gòu)筑疏水環(huán)境，高分子疏水材料耐溫性差，制備工藝較為復(fù)雜，且大量的Pt活性位點(diǎn)被PTFE遮蓋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效率水氫交換[4-7]。因此耐溫性好、成型方便、制備工藝簡(jiǎn)單且疏水性優(yōu)良的載體亟待研究。

無(wú)機(jī)陶瓷載體耐高溫，性能穩(wěn)定且可制作成各種形狀，不僅可延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，還可擴(kuò)大疏水催化劑應(yīng)用范圍，如用于氫氧復(fù)合或雙溫催化交換反應(yīng)中，因此疏水陶瓷類催化劑作為新型疏水催化劑被得以研究[8-9]。新型疏水陶瓷載體本身具有良好疏水性，無(wú)需載鉑后構(gòu)筑疏水環(huán)境，催化劑制備工藝簡(jiǎn)單且能保證載體表面鉑活性粒子不被覆蓋。已知載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑性能影響明顯，由于交換反應(yīng)絕大部分發(fā)生在載體孔道內(nèi)，因此適宜的載體孔結(jié)構(gòu)(載體孔徑、比表面積及孔隙率)有利于鉑前驅(qū)體的均勻附著，制得高分散度催化劑，既利于催化活性的提升，也可節(jié)約貴金屬用量；此外，在催化過(guò)程中，水蒸氣作為大體積氣體分子，適宜的孔結(jié)構(gòu)亦有利于反應(yīng)氣的擴(kuò)散，促進(jìn)催化反應(yīng)高效進(jìn)行[10-11]。

對(duì)于已報(bào)道疏水催化劑，有機(jī)類載體孔結(jié)構(gòu)較難在載體制備過(guò)程中進(jìn)行控制，載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑性能影響的研究較少；無(wú)機(jī)載體(以碳類為主，如活性炭、碳納米管等)種類豐富，載體孔結(jié)構(gòu)由其自身屬性決定，同樣難以在制備過(guò)程中進(jìn)行控制，調(diào)整載體孔結(jié)構(gòu)通常只能通過(guò)改變載體種類獲得[10-11]。本研究所用陶瓷載體以陶瓷粉為骨架材料，草木灰為成孔劑，載體成型簡(jiǎn)便，通過(guò)改進(jìn)陶瓷燒制工藝及原料配比即可在一定范圍內(nèi)控制載體的孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑性能的影響，可指導(dǎo)制得利于催化劑性能提升的陶瓷載體。本工作擬采用五種不同孔結(jié)構(gòu)疏水陶瓷載體，通過(guò)浸漬還原法制備催化劑，采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、H2-程序升溫還原法(H2-TPR)及CO脈沖吸附等對(duì)催化劑進(jìn)行表征，氣液并流方式測(cè)試催化劑催化活性，以考查載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

氯鉑酸，w≥37 %(以Pt計(jì))，沈陽(yáng)有色金屬研究院；陶瓷載體，自制。

1200C型管式還原爐，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；DMA5000密度計(jì)，奧地利Anton paar公司；MAT253質(zhì)譜儀，美國(guó)Thermo公司；Autopore Ⅳ 9510壓汞儀，美國(guó)Micromeritic公司；XRD-6000 X射線衍射儀，日本島津公司；SUPERA55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，德國(guó)蔡司公司；2920化學(xué)吸附儀，美國(guó)Micromeritic公司；催化效率測(cè)試裝置，自制。

1.2 催化劑制備

采用浸漬-氣相還原法[12]制備催化劑，研究采用五種不同孔結(jié)構(gòu)疏水陶瓷載體，其中三種為Z型疏水陶瓷載體(φ=5 mm柱狀，主要原料ZrO2，孔徑范圍30～70 nm)，分別命名為Z-1、Z-2、Z-3，由于此類載體難以燒制至更小孔徑，為擴(kuò)展孔結(jié)構(gòu)研究范圍，另采用兩種A型載體(φ=10 mm蜂窩狀，主要原料Al2O3，孔徑范圍約為25 nm)，分別命名為A-1、A-2。由于A型催化劑難以用作測(cè)試靜態(tài)接觸角，采用Z型催化劑橫斷面測(cè)試靜態(tài)接觸角，測(cè)得其靜態(tài)接觸角均大于145°。

1.3 催化劑性能表征

使用X射線衍射儀測(cè)試鉑晶粒形態(tài)，工作電壓和電流分別為40 kV和150 mA，Cu靶，掃描范圍為20°～90°，掃描速率為6°/min。

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)試催化劑表面形貌。

使用化學(xué)吸附儀測(cè)試催化劑H2-TPR曲線， Ar (20 mL/min)為預(yù)處理氣，于400 ℃下預(yù)處理30 min，還原氣為10% (體積分?jǐn)?shù))H2-Ar(20 mL/min)混合氣，升溫速率10 ℃/min，測(cè)試范圍50～600 ℃。

使用化學(xué)吸附儀采用CO脈沖吸附法測(cè)試鉑粒子分散度(D)、金屬比表面積(s)及粒徑(d)[13]。

1.4 催化劑催化活性表征

采用氣汽并流交換裝置測(cè)試催化劑活性，其流程示意圖示于圖1。填料柱及催化柱在60 ℃下穩(wěn)定加熱，輕重水(D豐度為5%)在填料柱內(nèi)循環(huán)，氫氣由填料柱底部通入，通過(guò)填料柱并攜帶該溫度下的飽和輕重水水蒸氣進(jìn)入催化柱，氣汽交換后，冷凝分別獲得氣樣及水樣。氫氣流速4.23 L/min，催化劑用量4.5 mL，催化柱柱徑30 mm，使用密度計(jì)測(cè)試水樣密度，質(zhì)譜儀測(cè)試氣樣氘豐度，使用催化交換活性kya來(lái)表征催化劑活性。

(1)

(2)

式中：F表示催化交換效率；y0、y、y∞，分別為反應(yīng)前、后及反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)氣相中氘濃度；kya為催化交換活性，s-1；v為反應(yīng)氣體流速，L/min；V為催化劑體積，L；F為相應(yīng)氣體流速下對(duì)應(yīng)催化交換效率。

虛線箭頭——?dú)庀啵瑢?shí)線箭頭——液相圖1 并流交換流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring catalytic activity

2 結(jié)果與討論

2.1 載體孔結(jié)構(gòu)的表征

五種載體孔結(jié)構(gòu)性能列入表1。相應(yīng)孔徑分布曲線示于圖2。由表1和圖2可知：五種載體孔徑分布均呈正態(tài)分布，其峰值變化規(guī)律與平均孔徑值一致，A型載體平均孔徑明顯小于Z型載體，隨著孔徑的減小，載體比表面積呈上升趨勢(shì)；Z-1、Z-2及Z-3載體孔徑分布寬度基本一致，其孔徑分布不及A-1及A-2載體集中，此外，Z-2載體孔隙率明顯高于其它載體，其堆密度亦明顯低于其它兩種Z型載體，Z-2載體結(jié)構(gòu)較為疏松。在孔隙率接近的情況下，通常載體孔徑降低則比表面積增大，孔隙率增加有利于載體比表面積的進(jìn)一步提升，因此與Z-1載體相比，Z-2載體平均孔徑下降比率較小而比表面積卻增大近一倍。

表1 載體孔結(jié)構(gòu)性能

▲——Z-1，●——Z-2，■——Z-3，△——A-1，□——A-2圖2 載體孔徑分布曲線Fig.2 Pore size distribution diagram

2.2 催化劑孔結(jié)構(gòu)對(duì)鉑粒子負(fù)載影響

催化劑XRD衍射曲線示于圖3。由圖3可知：Z-1催化劑XRD曲線中呈現(xiàn)出明顯的鉑標(biāo)志性111及200晶面峰，Z-2及Z-3催化劑未檢測(cè)出，表明Z-2及Z-3催化劑的鉑粒子粒徑較小，結(jié)晶不完善，難以檢測(cè)；A-1及A-2催化劑在鉑111及200晶面峰處呈現(xiàn)與載體固有衍射峰的疊加峰，然而與其它三種催化劑不同，其311晶面峰不明顯，因此其111及200晶面峰處并非鉑衍射峰，推斷蜂窩載體制得催化劑的鉑粒子結(jié)晶完善度進(jìn)一步降低。由于XRD曲線未呈現(xiàn)明顯衍射峰，鉑粒子粒徑無(wú)法用Sherrer公式計(jì)算，將通過(guò)其它手段深入分析。

圖3 催化劑XRD曲線Fig.3 XRD curves of various catalysts

催化劑SEM圖片示于圖4。由于載體本身導(dǎo)電性差，加之多孔陶瓷載體結(jié)構(gòu)較為疏松，噴金多次后其導(dǎo)電性能仍不夠理想，因此掃描電鏡圖像放大倍率有限，難以觀測(cè)到鉑粒子，但可較清晰呈現(xiàn)出載體的孔結(jié)構(gòu)。由圖4可知：Z-1、Z-2、Z-3載體結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙大小不一，均勻度差，故在孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果中此三種催化劑孔徑分布寬度大；Z-3載體平均孔徑測(cè)得值最小，反映在SEM圖像中其孔隙孔徑略小于Z-1、Z-2載體，而Z-1及Z-2載體孔隙結(jié)構(gòu)差距不明顯；A-1、A-2載體燒制緊密，孔隙小且均勻，孔徑分布范圍小，與孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果一致。

(a)——Z-1，(b)——Z-2，(c)——Z-3，(d)——A-1，(e)——A-2圖4 催化劑掃描電鏡圖Fig.4 TEM of various catalysts

為進(jìn)一步對(duì)鉑粒子進(jìn)行表征，采用化學(xué)吸附儀對(duì)鉑粒子分散度、比表面積及粒徑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果列入表2。由表2可知，隨著載體比表面積的增大，鉑粒子分散度增加，相應(yīng)鉑粒子粒徑逐步下降。通常載體比表面積越大，越利于鉑前驅(qū)體的均勻沉積，鉑粒子分散度越高，驗(yàn)證了XRD分析中的推測(cè)，即Z-1催化劑鉑粒子粒徑最大，因此只有其可在XRD曲線中觀測(cè)出明顯的鉑晶面衍射峰，Z-2及Z-3催化劑鉑粒子較Z-1催化劑有所降低，其鉑晶面衍射峰已不明顯，A-1及A-2催化劑的鉑粒徑進(jìn)一步降低，因此其XRD曲線中標(biāo)志性的鉑晶面峰均未能觀測(cè)到。

表2 鉑粒子性能

使用化學(xué)吸附儀測(cè)試催化劑H2-TPR曲線，結(jié)果示于圖5。由圖5可知：由于載體原料均難以被H2還原，因此還原曲線中所有峰均為鉑前驅(qū)體還原峰，曲線中的多個(gè)還原峰來(lái)自不同組分或不同價(jià)態(tài)的鉑前驅(qū)體，如鉑的氧化物PtOx和氯化物PtOyClz[14-15]等，其起始還原溫度及還原峰溫列入表3。Z型催化劑還原峰寬度較接近，A-1及A-2還原峰寬度明顯大于其余三種催化劑，表明A型催化劑鉑前驅(qū)體分散度相對(duì)較高[16]。對(duì)于H2-TPR曲線，通常起始還原溫度及還原峰溫度越低，表示還原越易發(fā)生。五種催化劑起始及還原峰溫度隨載體孔徑的減小而降低，表明其還原困難度逐漸降低，鉑前驅(qū)體分散度增加可使得其與還原氣接觸面積增大，利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。隨著載體孔徑的減小，載體比表面積增大，利于鉑前驅(qū)體的均勻負(fù)載，使得還原曲線呈現(xiàn)上述規(guī)律。

圖5 催化劑H2-TPR曲線Fig.5 H2-TPR curves of various catalysts

樣品起始還原溫度/℃還原峰溫/℃終止還原溫度/℃Z?1100153，200225Z?277145，183210Z?381102，164190A?179100，160225A?26595，155220

2.3 載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑催化活性的影響

在4.23 L/min氣體流速及4.5 mL催化劑用量下，催化劑的催化交換活性kya列入表4。由表4可知：Z-3催化劑催化活性最優(yōu)，其催化交換活性可達(dá)6.45 s-1；Z-1及Z-2催化劑活性接近且居中；A-1及A-2催化劑的催化活性最差。鉑粒子分散度是表征催化劑催化活性的重要指標(biāo)，通常鉑粒子分散度越高，可參與反應(yīng)的活性位點(diǎn)越多，催化劑活性越強(qiáng)。A-1及A-2催化劑鉑粒子分散度最高，然而其催化活性卻相對(duì)最差，其原因推斷為：載體孔徑過(guò)小，雖其鉑粒子分散度較高，然而水蒸氣分子體積相對(duì)較大，從而使得反應(yīng)氣擴(kuò)散入載體孔道難度加大，相較大孔徑載體，反應(yīng)氣需要更多時(shí)間才可擴(kuò)散入載體孔道內(nèi)，相同時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的活性位點(diǎn)總數(shù)較少，使得其催化活性較低。對(duì)于Z-1、Z-2及Z-3催化劑，隨著載體比表面積的增加，催化劑催化活性增大，表明在此孔徑范圍內(nèi)(30～70 nm)，孔徑降低對(duì)反應(yīng)氣擴(kuò)散的影響不明顯，比表面積增大使得鉑粒子分散度增加，利于催化活性的提升。

表4 催化劑交換活性

注：氣體流速為4.23 L/min，V=4.5 mL

需要指出的是，Z-2載體比表面積及鉑分散度均高于Z-1，然而其催化活性卻未明顯優(yōu)于Z-1催化劑，測(cè)得Z-2催化劑的堆密度(0.34 g/mL)較Z-2載體(0.37 g/mL)有所下降，而其他催化劑的堆密度變化則不明顯。測(cè)得Z-2催化劑的孔結(jié)構(gòu)(比表面積38.54 m2/g，平均孔徑68.1 nm，孔隙率64.48%，孔容0.65 mL/g)與Z-2載體孔結(jié)構(gòu)相差較大，Z-2載體由于孔隙率高使得其載體孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，在催化劑制備過(guò)程中出現(xiàn)了并孔及孔坍塌，使得催化劑比表面積下降，催化劑催化活性難以提升。

3 結(jié) 論

采用三種Z型疏水陶瓷載體及兩種A型載體，經(jīng)XRD、SEM、H2-TPR、CO脈沖吸附等物性表征及催化劑催化活性測(cè)試，考察載體孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑性能的影響。結(jié)果表明：在30～70 nm平均孔徑范圍內(nèi)，孔徑下降有利于催化活性的提升；然而過(guò)低孔徑(<20 nm)不利于反應(yīng)氣在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散至載體孔道內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，使得催化劑催化活性有所下降；此外，增加載體孔隙率雖然有助于提升載體比表面積，卻使得載體孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，對(duì)提升催化活性無(wú)利。在本研究中，平均孔徑為37.5 nm、比表面積為111.01 m2/g、孔隙率為68.76%的載體制得的催化劑可取得最優(yōu)催化效果，當(dāng)氣體流速為4.23 L/min，催化劑用量為4.5 mL時(shí)，其催化交換活性可達(dá)6.45 s-1。

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Influence of Pore Structure on the Performance of Pt/Ceramic Hydrophobic Catalyst

JIA Qing-qing, HU Shi-lin, LIU Ya-ming

China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275(83), Beijing 102413, China

Pt/hydrophobic ceramic catalysts used for H2-H2O liquid phase catalytic exchange were prepared with five different carriers by the impregnation method. The influences of the pore structure of carriers on the performance of catalysts were studied, and the characteristics of catalysts were tested by XRD, SEM, H2-TPR and CO adsorption. With the decrease of average pore size, the specific surface area of carriers increases and then the Pt particle dispersion enhances. The catalytic activity increases with the decrease of average pore size in the range of 30-70 nm, while the reactant gas will have more difficulty to spread into the inner tunnel of carrier with the average pore size under 20 nm, resulting in the decreased catalytic activity. Although the enhanced porosity of carrier can create higher specific surface area, it will weaken the strength of pore structure, which will be destroyed during the preparation process and have no benefit to obtain favorable catalytic activity. The catalyst prepared by the carrier with average pore size of 37.5 nm, specific surface area of 111.01 m2/g and the porosity of 68.76% can obtain thekyavalue of 6.45 s-1with 4.5 mL catalyst and 4.23 L/min gas velocity.

pore structure of carriers; hydrogen isotopes separation; hydrophobic ceramic catalyst

2016-03-16；

2016-04-19

賈青青(1988—)，女，河北保定淶源人，碩士，從事同位素分離研究，E-mail: iampanda666@163.com

O69

A

0253-9950(2017)02-0164-06

10.7538/hhx.2017.YX.2016020