氧化鋁擔載奈米金觸媒之製備與應用研究

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廖建達(Chien-Ta Liao) 查詢紙本館藏

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化學工程與材料工程學系

論文名稱

氧化鋁擔載奈米金觸媒之製備與應用研究
(Preparation and application of alumina-supported gold catalysts)

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摘要(中)

本研究以氧化鋁為擔體，利用沈澱固著法製備成奈米氧化鋁擔體金觸媒(簡稱為Au/γ- Al2O3觸媒)，同時利用感應耦合電漿原子放射光譜儀(ICP-AES)、氮吸附法、熱重分析(TGA)、X射線繞射分析儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、X-射線光電子分析儀(XPS)等各項儀器與分析技術，分別對擔體及觸媒進行鑑定，並利用甲醇部份氧化反應為為催化活性的測試，藉以評估奈米氧化鋁擔體金觸媒應用於質子交換膜燃料電池(PEMFC)的可行性。由ICP-AES 分析結果，顯示Au/γ- Al2O3觸媒的金載量取決於pH值及製備時氯化金溶液的濃度，在低於等電位點金可達到60 %；氮吸附分析指出，以沈澱固著法製備的Au/γ- Al2O3觸媒，BET比表面積幾乎不會受煅燒溫度及載量的影響。從XRD圖譜中，可發現不同沈澱劑所形成不同大小的金晶粒。從TEM分析結果，發現Au/γ- Al2O3觸媒製備時pH值若超過等電位點時，可形成金晶粒大小約4 nm，且均勻分散在擔體表面上。而XPS分析結果可發現，以沈澱固著法所製備的Au/γ- Al2O3觸媒，表面會形成氫氧化金沈澱，且隨著煅燒溫度的增加，會逐漸熱解成金屬態的金。經過反應活性的測試，我們找出最佳的操作變數為金載量需小於1 wt%、製備pH值為9、沈澱劑為Na2CO3、煅燒溫度為573 K。若以此條件所製備出的觸媒，於523 K下進行甲醇部份氧化反應，能得到最佳的甲醇轉化率與氫氣選擇率。與文獻上銅觸媒、鈀觸媒的催化結果做比較，Au/γ- Al2O3觸媒不僅催化活性高，且幾乎沒有CO氣體的產生。由此結果可看出奈米金觸媒對於催化甲醇部份氧化反應，能夠選擇性的抑制CO的產生，相信可應用在燃料電池的氫氣源供應。

摘要(英)

In this work, γ-Al2O3 was used as a catalyst support. Nanosized Au/γ-Al2O3 catalysts were prepared by the deposition-precipitation method.
The supported Au catalysts were characterized by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer (ICP-AES), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analyzer(TGA), nitrogen adsorption method , scanning electron microcopy (SEM), transmission elecron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
The ICP-AES analysis indicates that gold loading is significantly affected by the preparation pH value. When the pH value is below isoelectric point of support precipitates reach 60% loading. The nitrogen adsorption analysis shows that the catalyst preparation procedure does not affect the surface area of the support. Furthermore , the TEM analysis demonstrates that the mean size of gold crystallites decreases with increasing pH value.
Au/γ-Al2O3 catalysts was tested by the partial oxidation of methanol at 503-563K. The results indicate that the optimal preparations and operating conditions for best methanol conversion and hydrogen selectivity are 0.15 wt% in gold loading, 673 K in calcinations temperature, Na2CO3 in precipitation reagent, pH value 9 in prepared condition and 563K in reaction temperature. Moreover, compare to copper and palladium catalysts in POM reaction, Au/γ-Al2O3catalysts display good activity and highly CO selectivity. Nanosized Au/γ-Al2O3 catalysts may have an opportunity to apply in proton exchange membrane fuel cell.

關鍵字(中)

★ 甲醇部份氧化
★ 氧化鋁
★ 金觸媒

關鍵字(英)

★ partial oxidation of methanol
★ hydrogen
★ alumina
★ particle size effect
★ gold catalyst

論文目次

中文摘要
… … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … …
Ⅰ
英文摘要
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Ⅲ
目錄
… … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … …
Ⅴ
圖索引
… … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … …
Ⅷ
表索引
… … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … .
ⅩⅢ
第一章緒論… … … … … … … … … … … … … … … … … .. 1
1.1 前言… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 1
1.2 燃料電池原理… … … … … … … … … … … … … … … … . 1
1.3 燃料電池的種類… … … … … … … … … … … … … … … 3
1.4 金觸媒與甲醇製氫反應… … … … … … … … … … … … 8
1.5
研究內容與本論文的架構… … … … … … … … … … .
9
第二章文獻回顧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 10
2.1 金的物性與化性… … … … … … … … … … … … … … … . 10
2.2 金觸媒的製備方法… … … … … … … … … … … … … … . 12
2.3 金的活性位置… … … … … … … … … … … … … … … … . 16
2.4 擔體效應… … … … … … … … … … … … … … … … … … . 17
2.5 金觸媒的應用… … … … … … … … … … … … … … … … . 20
2.5-1 一氧化碳氧化反應… … … … … … … … … … … … … … . 23
2.5-2 有機揮發物質氧化反應… … … … … … … … … … … … . 24
2.5-3 水氣轉移反應… … … … … … … … … … … … … … … … . 24
2.5-4 碳氫化合物選擇性氧化反應… … … … … … … … … … . 25
2.5-5 甲醇部分氧化反應… … … … … … … … … … … … … … 25
第三章實驗方法與裝置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28
VI
3.1 金觸媒的製備… … … … … … … … … … … … … … … … 28
3.2 觸媒代號說明… … … … … … … … … … … … … … … … . 30
3.3 擔載金觸媒的鑑定分析… … … … … … … … … … … … . 30
3.3-1 感應耦合電漿原子放射光譜儀(ICP-AES)分析… … 31
3.3-2 BET 比表面積、孔隙體積及孔徑大小分佈的分析.. 32
3.3-3
X-射線繞射分析(XRD)… … … … … … … … … … … … .
34
3.3-4
熱重分析(TGA)… … … … … … … … … … … … … … … .
37
3.3-5
掃描式電子顯微鏡(SEM) 及元素影像分析
(EDS-mapping)… … … … … … … … … … … …
3.3-6 穿透式電子顯微鏡(TEM)… … … … … … … … … … .. 39
3.3-7
X-Ray 光電子光譜儀(X-Ray photoelectron
spectroscopy, XPS)… … … … … … … … … … ..
3.4
觸媒的活性測試-甲醇部分氧化反應… … … … … … …
40
3.5 數據的計算與實例… … … … … … … … … … … … … .. 44
3.5-1 擔體金觸媒理論載量的定義與計算… … … … … … . 44
3.5-2 轉化率的定義與計算… … … … … … … … … … … … . 44
3.5-3 選擇率的定義與計算… … … … … … … … … … … … . 48
3.6 藥品、氣體及儀器設備… … … … … … … … … … … 51
3.6-1 藥品… … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 51
3.6-2 氣體… … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 51
3.6-3 儀器設備… … … … … … … … … … … … … … … … … . 51
第四章結果與討論⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 54
4.1 物性分析… … … … … … … … … … … … … … … … … … . 54
4.1-1 沈澱劑和pH 值對金屬載量的影響⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 54
4.1-2 鍛燒條件的選擇… … … … … … … … … … … … … … … . 57
4.1-3 觸媒表面積的測定結58
4.1-4 X-射線繞射(XRD)的分析結果… … … … … … … … … . 61
VII
4.1-5 穿透式電子顯微鏡(TEM)的分析結果… … … … … … .. 70
4.1-6 X-射線光電子分析(XPS)… … … … … … … … … … … .. 73
4.2 Au/γ-Al2O3 觸媒的化性分析… … … … … … … … … … 76
4.2-1 Au/γ-Al2O3 觸媒的金屬載量對活性的影響… … … .. 76
4.2-2 Au/γ-Al2O3 觸媒的鍛燒溫度對活性的影響… … … . 80
4.2-3 Au/γ-Al2O3 觸媒的沈澱劑對活性的影響… … … … . 84
4.2-4 Au/γ-Al2O3 觸媒pH 值對活性的影響… … … … … .. 88
4.2-5 反應溫度對甲醇部份氧化反應的影響… … … … … . 90
4.2-6 金觸媒Au/γ-Al2O3 與銅、鈀觸媒對甲醇部份氧化反
應活性分析比較… … … … … … … … … … … … … …
第五章結論..................... 97
參考文獻 ....................... 100

參考文獻

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指導教授

張奉文(Feg-Wen Chang)

審核日期

2004-7-9

推文