探究铌酸负载量对铂基催化剂在酸性中温变换反应的影响：解锁高效且耐硫催化新路径

为解决传统水煤气变换（WGS）反应催化剂不耐硫、需脱硫步骤等问题，研究人员探究含铌酸铂基催化剂中铌酸负载量对其活性和耐硫性的影响。结果显示，特定条件下增加铌含量才提高活性，Al2O3-Nb2O5载体催化剂性能不佳。该研究为开发高效耐硫催化剂提供思路。

　　

研究背景

在能源领域，随着环保意识增强和矿产资源日益稀缺，对清洁技术和可再生能源的追求愈发迫切。氢气作为极具潜力的能源载体，备受瞩目。目前，合成气是氢气的主要来源，然而合成气中一氧化碳（CO）与氢气（H₂）的比例并不固定，常常需要通过水煤气变换（Water - Gas Shift，WGS）反应来调整。

WGS 反应其实早在 1888 年就被发现，但真正受到广泛关注是在其应用于氨合成工艺之后。这个反应能将 CO 和水蒸气转化为二氧化碳（CO₂）和 H₂，不仅能提高 H₂产量，还能降低合成气中 CO 浓度，毕竟 CO 会毒害像氨合成和燃料电池中使用的铁基催化剂。

传统的 WGS 反应通常分高温变换（High - Temperature Shift，HTS，350 - 500°C，使用 Fe₂O₃-Cr₂O₃催化剂 ）和低温变换（Low - Temperature Shift，LTS，200 - 250°C，使用基于 CuO 的催化剂）两个阶段进行。但近年来，单阶段中温 WGS 反应因在紧凑型重整器中的应用潜力，成为研究热点，尤其是在燃料电池系统中，传统两阶段 WGS 反应器体积庞大，占系统总体积约 70%。

此外，随着可持续发展理念深入人心，利用 WGS 反应将废弃物转化为能源的研究不断涌现，比如通过废弃物热解、气化产物中的高浓度 CO，经 WGS 反应调整比例生产氢气。可问题来了，废弃物气化产生的合成气往往含有高浓度硫，而传统催化剂耐硫性差，在这种情况下使用受限。目前常用的钴或镍促进的硫化钼基催化剂，性能受硫含量制约，还需预硫化步骤。于是，研发兼具高活性和耐硫性的催化剂迫在眉睫，这不仅能降低能源成本，还能减少因催化剂失活而更换带来的停机时间。

在此背景下，某研究机构（作者单位未知）的研究人员展开了对含铌酸（Nb₂O₅）铂（Pt）基催化剂的研究，相关成果发表在《Catalysis Today》上。

研究方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是通过初湿浸渍法制备氧化铝 - 铌酸混合氧化物载体，先将勃姆石在 500°C 煅烧 2 小时制得氧化铝，再以草酸铌铵为铌酸前驱体，配制成含不同铌酸含量的溶液进行浸渍，最后干燥。二是运用 X 射线衍射（XRD）分析催化剂的晶体结构，对比不同催化剂与纯氧化铝、铌酸的 XRD 图谱；还通过 X 射线光电子能谱（XPS）数据计算 Nb/Al 表面比，利用能量色散光谱（EDS）映射观察元素分布情况 ，以此对催化剂进行表征分析。

研究结果

1. XRD 分析结果：研究人员对制备的催化剂进行 XRD 分析，将其与相同条件下纯氧化铝和铌酸的 XRD 图谱对比。结果发现，所有催化剂中都难以识别出与五氧化二铌相关的明确峰。不过，对于 Pt/65% Al₂O₃-35%Nb₂O₅和 Pt/50% Al₂O₃-50%Nb₂O₅这两种催化剂，在 2θ 范围内有峰形成的迹象。这表明铌酸在载体上的存在形式较为特殊，可能并非以明显的五氧化二铌晶体形式存在。
2. 催化剂活性和耐硫性结果：研究发现，在这一系列含铌酸的铂基催化剂中，只有当增加铌含量不会降低铌表面覆盖率时，才会使催化剂活性提高。同时，较小的铂颗粒尺寸更有利于水煤气变换反应的性能提升。然而，使用 Al₂O₃-Nb₂O₅作为载体的铂催化剂，其催化活性低于以纯铌酸为载体的催化剂，并且无论铌含量如何，都不具备耐硫性。这可能是因为铂与铌酸之间的相互作用不够强，无法产生像 Pt/Nb₂O₅体系中那样的协同效应。

研究结论与意义

研究人员通过对含铌酸铂基催化剂的研究，得出了铌酸负载量对催化剂活性和耐硫性的影响规律。明确了增加铌含量提高活性的条件，以及铂颗粒尺寸与反应性能的关系，还发现 Al₂O₃-Nb₂O₅载体在该研究中的局限性。

这一研究成果意义重大，为后续开发更高效、耐硫的水煤气变换反应催化剂提供了理论依据和研究方向。有助于推动清洁技术和可再生能源领域的发展，在废弃物能源化利用过程中，有望解决因合成气含硫导致的催化剂失活问题，降低生产成本，提高能源转化效率，对实现可持续发展目标具有重要的促进作用。同时，该研究也为其他类似催化剂体系的研究提供了参考，启发科研人员进一步探索金属与载体之间的相互作用，优化催化剂设计。