Каталитическое окисление СО в водородсодержащих газовых смесях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.15, кандидат химических наук Снытников, Павел Валерьевич

• Снытников, Павел Валерьевич
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Снытников, Павел Валерьевич

Введение.

Глава I Литературный обзор.

1. Вводные замечания.

2. Способы глубокой очистки водорода от оксида углерода.

2.1 Физические методы.

2.2 Каталитические методы.

3. Каталитическое окисление СО в присутствии водорода.

3.1 Понятия и определения.

3.2 Катализаторы и условия проведения процесса.

3.2.1 Катализаторы на основе платиновых металлов.

3.2.2 Au-содержащие катализаторы.

3.2.3 Катализаторы на основе меди.

3.2.4 Другие типы катализаторов.

3.3 Представление о механизме окисления СО в водородсодержащих газовых смесях.

4. Выводы из литературного обзора и задачи работы.

Глава II Методика экспериментов.

1. Кинетические эксперименты.

1.1 Схема экспериментальной установки.

1.2 Анализ состава реакционной смеси и обработка результатов.

1.3 Конструкция каталитического реактора.

1.4 Кинетические эксперименты с использованием ИК спектроскопии in situ.

2. Методики приготовления катализаторов.

2.1 Монометаллические и биметаллические катализаторы.

2.2 Оксидные медно-цериевые катализаторы.

3. Методы, примененные для исследования катализаторов.

Глава III Окисление СО в присутствии Нг на Pt-, Ru- и Pd- содержащих катализаторах.

1. Окисление СО в присутствии Нг на Pt/C, Ru/C и Pd/C.

1.1 Катализаторы и их физико-химические характеристики.

1.2 Зависимости активности и селективности от температуры.

1.3 Влияние концентрации СО в водородсодержащем газе на входное отношение концентраций Ог/СО, необходимое для удаления СО до ф Юррт.

1.4 Зависимости активности и селективности от содержания активного компонента в катализаторе.

1.5 Влияние СО2 и паров НгО на протекание реакции.

1.6 Сопоставление каталитических свойств Pt-содержащих систем.

1.7 Механизм и кинетическая модель протекания реакции окисления СО в присутствии водорода на Pt-содержащих катализаторах.

2. Каталитическое окисление СО в присутствии Н2 на биметаллических катализаторах.

2.1 Pt-Ru катализаторы.

2.2 Pt-Co катализаторы.

Глава IV Окисление СО в присутствии Нг на оксидных медно-цериевых катализаторах.

1. Физико-химические характеристики Си/СеОг-х катализаторов.

2. Активность и селективность Си/СеОг-х катализаторов, приготовленных методами пропитки и соосаждения.

3. Влияние состава водородсодержащей смеси на протекание реакции.

3.1 Влияние СОг и паров НгО.

3.2 Влияние 02 и СО.

4. Оптимальные условия глубокой очистки водородсодержащих смесей от СО.

5. Сопоставление каталитических свойств Си/СеОг-х систем.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Каталитическое окисление СО в водородсодержащих газовых смесях»

В последние годы во всем мире ведутся интенсивные исследования по созданию и коммерциализации энергоустановок на основе топливных элементов с протоно-обменной мембраной (ПОМТЭ) [1,2]. Это обусловлено известными и уже продемонстрированными преимуществами топливных элементов над традиционными источниками электроэнергии, важнейшими из которых являются высокий КПД превращения химической энергии топлива в электроэнергию, бесшумность в работе, модульность конструкции, что позволяет легко и быстро строить ПОМТЭ разной мощности в рамках одной и той же технологии. Топливом для ПОМТЭ служит водород, а в качестве окислителя используется кислород из воздуха. В этом случае в процессе работы топливного элемента в атмосферу выбрасываются только пары воды, что отвечает самым высоким экологическим требованиям. Во многих странах с ПОМТЭ, хотя они все еще остаются достаточно дорогими устройствами, связывается совершенствование систем энергоснабжения различных объектов - от сотовых телефонов и автомобилей до жилых домов.

Вместе с тем, широкое распространение ПОМТЭ сдерживается рядом трудностей, в основном обусловленных отсутствием развитой инфраструктуры для питания топливных элементов водородом и пока трудно решаемыми проблемами безопасного хранения водорода. В связи с этим, на первое место выходят вопросы, связанные с разработкой топливного процессора - устройства, позволяющего получать необходимое для функционирования ПОМТЭ количество водородсодержащего газа из углеводородного сырья (природный газ, бензин, метанол, этанол и др.) непосредственно в месте работы топливного элемента. В настоящее время именно в этом направлении проводятся основные работы, о чем свидетельствует значительное число недавних публикаций [1-8].

Получение водорода в топливном процессоре проводят в несколько стадий. Вначале углеводородное сырье при помощи паровой, воздушной или автотермической конверсии и последующей реакции паровой конверсии оксида углерода перерабатывают в водородсодержащую смесь, которая обычно состоит из Нг, С02, СН4, N2, Н20 и ~0.5-2 об. % СО. Однако использовать такую смесь для питания ПОМТЭ нельзя, так как оксид углерода при концентрации больше 0.0010.01 об. % (10-100 ррт) является ядом для топливного электрода [1-3]. Поэтому на второй стадии для уменьшения концентрации СО до 10 рргп проводят глубокую очистку водородсодержащего газа. Среди существующих методов очистки наиболее перспективной считается очистка при помощи реакции каталитического окисления оксида углерода в присутствии Нг.

Здесь уместно отметить, что в ходе такой очистки одновременно протекают две каталитические реакции, окисление СО и окисление Н2. Поэтому эффективный катализатор должен обладать как высокой активностью, так и селективностью в отношении реакции окисления СО в присутствии Н2.

Для реакции окисления СО в присутствии Н2 предложены как нанесенные металлические катализаторы, так и каталитические системы на основе оксидов переходных металлов. Было показано, что среди металлических катализаторов наибольшей активностью и селективностью в этой реакции обладают нанесенные на у-АЬОз и цеолиты Pt- и Ru- содержащие катализаторы. Однако при использовании даже самых эффективных катализаторов очистка водорода от СО до уровня 10 ррт обеспечивалась при трех-четырехкратном избытке кислорода от требуемого по стехиометрии реакции. Соответственно селективность при проведении процесса не превышала 25-33%. В литературе были предложены и другие активные и селективные каталитические системы, например, Аи-содержащие катализаторы, которые, однако, оказались малостабильными при окислении СО в реальных водородсодержащих газовых смесях, то есть в присутствии СО2 и паров НгО. Среди катализаторов на основе оксидов переходных металлов значительный интерес представляет недавно открытая медно-цериевая оксидная система. Эта система обладает каталитической активностью, близкой к активности нанесенных платиновых катализаторов, но проявляет более высокую селективность в реакции окисления СО в присутствии Н2. Другие типы катализаторов на основе оксидов меди, кобальта, хрома, железа, никеля, марганца и др. оказались малоактивными в реакции окисления СО в присутствии Нг.

В целом, несмотря на то, что реакция каталитического окисления СО в присутствии Нг исследуется длительное время, существует ряд все еще мало изученных вопросов. Практически не проводились исследования по влиянию углекислого газа и паров воды, которые всегда присутствуют в реальном водородсодержащем газе, полученном конверсией углеводородного топлива, на активность, селективность и стабильность катализаторов в реакции окисления СО в присутствии Нг. Представления о механизме протекания каталитической реакции окисления СО в присутствии Нг хотя и обсуждались в ряде работ, но ^ носят часто описательный характер и являются крайне неполными.

Такое положение дел не позволяет объективно судить о возможности ' использования катализаторов для глубокой очистки реальных водородсодержащих смесей от СО, сдерживает работы по моделированию реакторов для очистки водородсодержащего газа от СО при помощи этой реакции и разработку научно-обоснованных подходов к конструированию эффективных катализаторов. Указанные обстоятельства позволяют считать дальнейшие исследования в области разработки эффективных катализаторов и изучение закономерностей протекания каталитической реакции окисления СО в присутствии Нг весьма актуальными.

Цель данной работы - систематическое исследование закономерностей протекания реакции окисления оксида углерода в реальных водородсодержащих газовых смесях на металлических и оксидных катализаторах, направленное на определение условий, обеспечивающих глубокую очистку водорода от СО до уровня 10 ррт. Основными задачами работы являлись:

- изучение каталитических свойств нанесенных на углеродный графитоподобный материал «Сибунит» и оксид алюминия монометаллических (Pt, Ru, Pd) и биметаллических (Pt-Ru, Pt-Co) катализаторов, а также оксидных медно-цериевых систем в реакции окисления СО в присутствии Нг;

- изучение влияния углекислого газа и паров воды на активность и селективность катализаторов реакции окисления СО в присутствии Нг;

- изучение особенностей механизма протекания реакции окисления СО в присутствии Нг на Pt-содержащих и оксидных медно-цериевых катализаторах.

Заключение диссертации по теме «Катализ», Снытников, Павел Валерьевич

Выводы

1. Впервые проведены систематические исследования закономерностей протекания реакции окисления оксида углерода в водородсодержащих газовых смесях на монометаллических Ru-, Pt-, Pd- и биметаллических Ru-Pt катализаторах, нанесенных на углеродный графитоподобный материал Сибунит. Установлено, что в отношении этой реакции Ru- и Pt- содержащие катализаторы в отличие от Pd-катализаторов, проявляют высокую активность и селективность и позволяют снижать концентрацию СО в водороде с 1 об.% до менее, чем 10'3 об.%.

2. Изучено влияние паров воды и углекислого газа на протекание реакции окисления оксида углерода в присутствии водорода на Ru- и Pt- содержащих катализаторах. Показано, что добавление в реакционную смесь С02 и паров Н20 уменьшает активность и селективность этих катализаторов и лишь катализаторы Pt/Сибунит обеспечивают глубокую очистку водородсодержащего газа от СО при этих условиях.

3. Предложена кинетическая модель протекания реакции окисления СО в присутствии водорода на Pt-содержащих катализаторах. Показано, что эта модель описывает экспериментальные зависимости конверсии СО, 02 и селективности от температуры. В частности, модель правильно передает область температур, в которой достигается глубокая очистка водорода от оксида углерода и подтверждает экспериментальный факт, что при окислении СО в присутствии Н2 заполнение поверхности катализатора молекулами СО значительно.

4. С использованием двойных комплексных солей Pt и Со приготовлены биметаллические Pt-Co- катализаторы, нанесенные на у-А120з и Сибунит. Изучены их свойства в реакции окисления СО в водородсодержащих газовых смесях в присутствии углекислого газа и паров воды. Показано, что эти катализаторы, в отличие от монометаллических Pt- и Со- катализаторов, обладают большей активностью и позволяют снижать концентрацию СО в водородсодержащих газовых смесях с 1 об.% до 10"3 об.%. Это наиболее вероятно связано с образованием на поверхности носителей частиц платино-кобальтовых интерметаллидов.

Приготовлена серия медно-цериевых оксидных катализаторов и изучены их свойства в отношении реакции окисления СО в водородсодержащих газовых смесях. Показано, что медно-цериевые оксидные катализаторы являются стабильными, активными и высокоселективными в этой реакции. Определены условия, при которых эти катализаторы обеспечивают снижение концентрации СО в водороде, содержащем пары воды и углекислый газ, от 1 об. % до менее, чем 10"3 об.%.

При помощи комплекса физико-химических методов, в том числе ИК-фурье спектроскопии in situ, охарактеризованы медно-цериевые оксидные катализаторы. Показано, что медь сегрегируется на поверхности оксида церия, ее состояния лабильны и зависят от условий предобработок катализатора. За протекание реакции окисления СО в присутствии Нг на медно-цериевых оксидных катализаторах является ответственной медь в дисперсном состоянии, которая, по-видимому, представляет собой поверхностные двумерные или трехмерные кластеры, содержащие ионы Си+.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Снытников, Павел Валерьевич, 2004 год

1. S. Ahmed, M. Krumpelt, Hydrogen from hydrocarbon fuels for fuel cells. // 1.t. J. Hydrogen Energy 26 (2001)291-301.

2. L. J. Pettersson, R. Westerholm, State of the art of multi-fuel reformers for fuel cell vehicles: problem identification and research needs. // Int. J. Hydrogen Energy 26 (2001)243-264.

3. D. L. Trimm, Z. I. Onsan, Onboard fuel conversion for hydrogen-fuel-cell-driven vehicles. // Catal. Rev., 43,1&2, (2001) 31-84.

4. J. C. Amphlett, R. F. Mann, B. A. Peppley, On board hydrogen purification for steam reformation/PEM fuel cell vehicles power plants. // Int. J. Hydrogen Energy 21,8(1996) 673-678.

5. L. F. Brown, A comparative study of fuels for on board hydrogen production for fuel-cell-powered automobiles. // Int. J. Hydrogen Energy 26 (2001) 381-397.

6. M. Inbody, R. Borup, J. Hedstrom, B. Morton, J. Hong and J. Tafoya, Progress report for fuel cell power systems FY 2000, DOE Report (2000).

7. B. Emonts, J. B. Hansen, S. L. Jorgensen, B. Hohlein, R. Peters. Compact methanol reformer test for fuel cell powered light-duty vehicles. //J.Power Sources, 71 (1998)288-293.

8. A. F. Ghenciu, Review of fuel processing catalysts for hydrogen production in РЕМ fuel cell systems. // Current Opinion in Solid State and Materials Science 6 (2002) 389-399.

9. M. L. Brown, A. W. Green, G. Cohn, H. C. Andersen, Purifying hydrogen by selective oxidation of carbon monoxide. //Ind. Eng. Chem. 52, №10 (1960) 841844.

10. G. Cohn, Process for selectively removing carbon monoxide from hydrogen-containing gases. II US Patent 3216783.

11. S. H. Oh, R. M. Sinkevitch, Carbon monoxide removal from hydrogen rich fuel cell feed streams by selective catalytic oxidation. // J. Catal. 142 (1993) 254-262.

12. H. Tanaka, S. I. Ito, S. Kameoka, K. Tomishige, K. Kunimori. Promoting effect of potassium in selective oxidation of CO in hydrogen-rich stream on Rh catalysts. // Catalysis Communications 4 (2003) 1-4.

13. H. Tanaka, S. I. Ito, S. Kameoka, K. Tomishige, K. Kunimori. Catalytic performance of K-promoted Rh/USY catalysts in preferential oxidation of CO in rich hydrogen. // Appl. Catal. A: General 250 (2003) 255-263.

14. S.I. Ito, Т. Fujimori, К. Nagashima, К. Yuzaki, К. Kunimori, Strong rhodium-niobia interaction in Rh/Nb205, Nb205-Rh/Si02 and RhNb04/Si02 catalysts. Application to selective CO oxidation and CO hydrogenation. // Catal. Today 57 (2000) 247-254.

15. M. Echigo, N. Shinke, S. Takami, S. Higashiguchi, K. Hirai, T. Tabata, Development of residential PEFC cogeneration systems: Ru catalyst for CO preferential oxidation in reformed gas. // Catal. Today 84 (2003) 209-215.

16. M. Echigo, T. Tabata, A study of CO removal on an activated Ru catalyst for polymer electrolyte fuel cell applications. // Appl. Catal. A: General 251 (2003) 157-166.

17. A. Worner, C. Friedrich, R. Tamme, Development of novel Ru-based catalyst system for the selective oxidation of CO in hydrogen rich gas mixtures. // Appl. Catal. A: General 245 (2003) 1-14.

18. H. Igarashi, H. Uchida, M. Watanabe, Mordenite supported noble metal catalysts for selective oxidation of carbon monoxide in reformed gas. // Chem. Lett. (2000) 1262.

19. A. Manasilp, E. Gulari, Selective CO oxidation over Pt/alumina catalysts for fuel cell applications. //Applied. Catal. B: Environmental 37 (2002) 17-25.

20. M. M. Schubert, H. A. Gasteiger, R. J. Behm, Surface formates as side products in the selective CO oxidation on Pt/y-AI203. // J. Catal. 172, (1997) 256-258.

21. I. H. Son, M. Shamsuzzoha, A.M.Lane, Promotion of Pt/y-AI203 by new pretreatment for low-temperature preferential oxidation of CO in H2 for РЕМ fuel cells. // J. Catal. 210 (2002) 460-465

22. H. Igarashi, H. Uchida, M. Suzuki, Y. Sasaki, M. Watanabe, Removal of carbon monoxide from hydrogen-rich fuels by selective oxidation over platinum catalyst supported on zeolite. //Appl. Catal. A: General 159 (1997) 159-169.

23. M. Watanabe, H. Uchida, H. Igarashi, M. Suzuki, Pt catalyst supported on zeolite for selective oxidation of CO in reformed gases. // Chem. Lett. (1995) 21.

24. M. Watanabe, Catalyst for oxidation of reformed gas. // WO Patent 9964153.

25. W. S. Epling, P. K. Cheekatamarla, A. M. Lane, Reaction and surface characterization studies of titania-supported Co, Pt and Co/Pt catalysts for the selective oxidation of CO in H2-containing streams. // Chem. Eng. J. 93 (2003) 61

26. О. Korotkikh, R. Farrauto, Selective catalytic oxidation of CO in H2: fuel cell applications. // Catal. Today 62 (2000) 249-254.

27. X. Liu, O. Korotkikh, R. Farrauto, Selective catalytic oxidation of CO in H2: structural study of Fe oxide promoted Pt/alumina catalyst. //Appl. Catal. A: General 226 (2002) 293-303.

28. M. Watanabe, H. Uchida, K. Ohkubo, H. Igarashi, Hydrogen purification for fuel cells: selective oxidation of carbon monoxide on Pt-Fe/zeolite catalysts. // Appl. Catal. B: Enviromental 46 (2003) 595-600.

29. W. Li, F. J. Gracia, E. E. Wolf, Selective combinatorial catalysis; challenges and ^ opportunities: the preferential oxidation of carbon monoxide. // Catal. Today 812003) 437-447.

30. F.J. Gracia, W.Li, E. E. Wolf, The preferential oxidation of CO: selective combinatorial activity and infrared studies. // Catal. Lett. 91, 3-4, (2003) 235-242.

31. I. H. Son, A. M. Lane, Promotion of Pt/y-АЬОз by Ce for preferential oxidation of CO in H2. //Catal. Lett. 76, 3-4 (2001) 151-154.

32. Ozkara, A. E. Aksoylu, Selective low temperature carbon monoxide oxidation in H2-rich gas streams over activated carbon supported catalysts. // Appl. Catal. A: General 251 (2003) 75-83.

33. M. Haruta, N. Yamada, T. Kobayashi, S. lijima, Gold catalysts prepared by coprecipitation for low-temperature oxidation of hydrogen and of carbon monoxide.

34. J. Catal. 115(1989)301-309.

35. R. M. Torres Sanchez, A. Ueda, К. Tanaka, M. Haruta, Selective oxidation of CO in hydrogen over gold supported on manganese oxides. // J. Catal. 168 (1997) 125-127.

36. M. Haruta, A. Ueda, S. Tsubota, R. M. Torres Sanchez, Low temperature catalytic combustion of methanol and its decomposed derivatives over supported gold catalysts. // Catal. Today 29 (1996) 443-447.

37. G. K. Bethke, H. H. Kung, Selective CO oxidation in hydrogen rich stream over

38. Au/y-AI203 catalysts. // Appl. Catal. A: General 194-195 (2000) 43-53.

39. R. J. H. Grisel, C. J. Weststrate, A. Goossens, M. W. J. Craje, A. M. Van der Kraan, В. E. Nieuwenhuys, Oxidation of CO over Au/MOx/ AI2O3 multi-component catalysts in a hydrogen rich environment. // Catal. Today 72, 1-2, (2002) 123132.

40. S. H. Oh, J.H.Yang, С. K. Costelfo, Y.M.Wang, S. R. Bare, H. H. Kung, M. C. Kung, Selective catalytic oxidation of CO: effect of chloride on supported Au catalysts. // J.Catal. 210 (2002) 375-386.

41. J. Zhang, Y. Wang, B. Chen, C. Li, D. Wu, X. Wang, Selective oxidation of CO in hydrogen rich gas over platinum gold catalyst supported on zinc oxide for potential application in fuel cell. // Energy Conversion and Management 44 (2003) 1805-1815.

42. M. J. Kahlich, H. A. Gasteiger, R. J. Behm, Kinetics of the selective low-temperature oxidation of CO in H2-rich gas over Au/a-Fe203. // J. Catal. 182 (1999) 430-440.

43. M. M. Schubert, A. Venugopal, M. J. Kahlich, V. Plzak, R. J. Behm, Influence of H20 and C02 on the selective CO oxidation in H2 rich gases over Au/a-Fe203. И J. Catal. 222 (2004) 32-40.

44. G. Avgouropoulos, T. loannides, H. K. Matralis, J. Batista, S. Hocevar, Cu0-Ce02 mixed oxide catalyst for the selective oxidation of carbon monoxide in excess hydrogen. // Catal. Letters 73 (2001) 33-40.

45. G. Avgouropoulos, T. loannides, Selective oxidation over Cu0-Ce02 catalysts prepared via the urea-nitrate combustion method. // Appl. Catal. A: General 244 (2003) 155-167.

46. J. B. Wang, S.-C. Lin, T.-J. Huang, Selective CO oxidation in rich hydrogen over CuO/samaria-doped ceria. // Applied. Catal. A: General, 232 (2002) 107-120.

47. D. H. Kim, J. E. Cha, А СиО-СеОг mixed-oxide catalyst for CO clean-up by selective oxidation in hydrogen-rich mixtures. // Catal. Lett. 86, 1-3 (2003) 107112.

48. Y. Teng, H. Sakurai, A. Ueda, T. Kobayashi, Oxidative removal of CO contained in hydrogen by using metal oxide catalysts. // Int. J. Hydrogen Energy 24 (1999) 355358.

49. K. Omata, T. Takada, S. Kasahara, M. Yamada, Active site of substituted cobalt spinel oxide for selective oxidation of CO/H2. Part II. // Appl. Catal. A: General 146 (1996) 255-267.

50. И.Л.Козлов, В.З.Павленко, О. П. Фирсов, А.С.Кузнецов, Способ очистки водорода от примесей монооксида углерода и органических соединений и способ получения катализатора для очистки водорода. // RU патент 2050974.

51. К. Sekizawa, S. Yano, К. Eguchi, Н. Arai, Selective removal of CO in methanol reformed gas over Cu-supported mixed metal oxides. // Appl. Catal. A: General 169 (1998) 291-297.

52. T. Utaka, K. Sekizawa, K. Eguchi, CO removal by oxygen assisted water gas shift reaction over supported Cu catalysts. //Appl. Catal. A: General 194-195 (2000) 21-26.

53. W. H. Cheng, Selective CO oxidation in presence of H2 over Cu/Cr/Ba Catalysts. // React. Kinet. Catal. Lett. 58 (1996) 329-334.

54. C. GtildQr, F. Balikci, Selective carbon monoxide oxidation over Ag-based composite oxides. // J. Hydrogen Energy 27 (2002) 219-224.

55. M. J. Kahlich, H. A. Gasteiger, R. J. Behm, Kinetics of the Selective CO Oxidation in H2-rich gas on Pt/Al203. // J. Catal. 171 (1997) 93-105.

56. D. H. Kim, M. S. Lim, Kinetics of selective CO oxidation in hydrogen rich mixtures on Pt/alumina catalysts. // Appl. Catal. A: General 224 (2002) 27-38.

57. Y. F. Han, M. J. Kahlich, M. Kinne, R. J. Behm, Kinetic study of selective CO oxidation in H2-rich gas on a Ru/y- Ab03 catalyst // Phys. Chem. Chem. Phys. 4 (2002) 389-397.6063