【随笔】罗孟飞：贵金属（Pt、Pd、Au）催化剂一氧化碳氧化实验室性能与工业应用之差距

学术 2024-12-16 08:15 中国台湾

CO氧化反应广泛应用于冶金、窑炉、煤化工、汽车尾气等领域。有关CO氧化的科学论文非常多，CO氧化催化剂涉及贵金属Pt、Pd、Au和非贵金属氧化物催化剂。1987年，日本科学家Haruta发现Au/Fe₂O₃具有极高的催化CO氧化活性，在室温以下即能达到100%的CO转化率。然后，掀起了Au催化剂研究的热潮，报道了各种氧化物负载的Au催化剂。如华东理工大学郭耘教授报道的Au1/Co₃O₄催化剂表现出出色的CO催化活性和稳定性：CO的最低完全转化温度为-84^oC，TOF在-75^oC时高达3.1/s。然后由于Au催化剂的不稳定，目前也没有听说在工业上应用。

贵金属Pt、Pd催化剂，通常采用二氧化铈为载体，用简单的浸渍法可以获得高活性的一氧化碳催化剂，这类催化剂的一氧化碳完全转化温度可以做到100^oC左右。在从多的研究论文中，不管用什么催化剂制备方法，二氧化铈负载Pt、Pd催化剂的性能与最简单的浸渍法没有什么区别。

二氧化铈负载的非贵金属氧化物（CuO、MnO₂）也具有很高的CO氧化活性。用简单浸渍法可以获得高活性的一氧化碳催化剂，CO的完全转化温度可以做到100^oC多一点。但是在实际应用中，非贵金属催化剂对水汽比较敏感，还有一点是热稳定性差，所以在工业应用中不太多。

不过也有看到常温CO氧化的Pt催化剂，如网上看到的华东理工大学刘小军博士研发了常温常压高效CO氧化的Pd-Pt@CeO₂-FeOx/Al₂O₃催化剂。曾经听过一次郭耘教授的报告，他们研发的Pd-Cu催化剂具有很高的CO低温氧化氧化，并应用于隧道CO的处理。

CO常温氧化用于矿山、救生舱避难硐室中的CO氧化，以及CO传感器、CO₂激光器、燃料电池氢气组分中CO的净化。这类场合，CO的浓度比较低，气氛相对比较干净，最大的难点是室温下要求催化剂具有很高的催化性能。

工业生产领域也普遍存在CO的氧化（净化），燃气热水器末端的CO大约浓度~100mg/m³；石灰窑CO浓度在~10000mg/m³；活性炭再生时产生的CO浓度~ 10000 mg/m³；钢铁企业烧结炉的CO浓度~ 10000 mg/m³；煤化工MTO的CO浓度~ 5000 mg/m³。对于以上CO净化，反应温度通常在200-350^oC之间。按照我们常规认知，用前面提到了CO常温催化剂，就能轻松搞定。但是在实际工业应用中，我们必须考虑除了CO、氧气、氮气以外的化学物质，比如粉尘、SO₂、P、卤素、高浓度水汽等等对催化剂的影响。因此，看似很简单的一氧化碳氧化，在实际工业应用中很不简单。在实际应用中要求反应温度（活性高）低只是一个指标，更为重要的是催化剂稳定运行和长时间运行。

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