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现象，从而使得平均孔径值上升，载体比表面积下降。浸渍后载体比表面积由大至小分别为ZrO2载体、SiO2载体及SiC载体，与铂粒子分散度呈现同样的变化规律——ZrO2载体制得催化剂其铂粒子分散度最高，SiO2略低，SiC最低。
Table 3. Pore structure (impregnated) 表3. 孔结构(浸渍后)
载体种类 平均孔径(nm) 比表面积(m2/g) 孔隙率(%) 堆密度(g/cm3)
ZrO2载体 69.1 79.57 64.17 0.39
SiO2载体 78.9 76.75 75.82 0.27
SiC载体 70.19 41.03 38.89 1.33
研究采用化学吸附仪测试获得催化剂的程序升温还原(H2-TPR)曲线，如图4所示。载体制备原料无法被H2还原，升温还原曲线中呈现的还原峰即为铂还原峰。铂前驱体氯铂酸的还原过程复杂，且并非单一物质被还原，通常包括不同价态的铂氧化物或者铂氯化物，因此曲线中呈现多个还原峰[12] [13]。对于同种前驱体的H2-TPR曲线，还原起始温度及还原峰温度可表征还原反应进行的难易程度，随着起始温度和峰温的降低，还原反应发生的难度下降。三条还原曲线中，ZrO2载体制得催化剂的起始还原温度以及还原峰温最低，SiO2居中，SiC最高。结合前文结果，随铂粒子分散度及比表面积的增加，还原更易发生，铂粒子比表面积增加，则其暴露在还原氢气中的面积增大，与氢气接触面积的增大使得铂前驱体更易被还原。 TCD SignalZrO2SiO2SiC50100150200250300350400温度 oC Figure 4. TPR curves of catalysts 图4. 催化剂升温还原曲线 3.3. 催化剂活性及稳定性研究 测得0.1~0.5 m/s气速下，三种催化剂分离效率如图5所示。可知ZrO2载体制得催化剂的催化性能最优，SiO2载体制得催化剂略低，而SiC载体制得催化剂则远远低于前两者。通常铂粒子分散度越高，则铂活性位点越多，更利于催化剂催化活性的提高。除铂粒子分散度外，在平均孔径接近的条件下，载体孔隙率亦可在一定程度影响催化剂活性，孔隙率越高，孔道越多，同样时间内有更多的反应气扩散至孔道内于活性位点上参与反应，利于催化剂分离效率的提高。SiC载体制得催化剂铂粒子分散度以及载体孔隙率均最低，因此其催化效率最差，ZrO2载体制得催化剂的铂粒子分散度最高，在0.1 m/s气速下，催化剂交换效率为31.2%，SiO2载体制得催化剂铂分散度略低然而其浸渍后载体的孔隙率仍较高，因此其 DOI: 10.12677/nst.2020.83008
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催化活性在低气速下几乎与ZrO2载体制得催化剂持平。而随着测试气速的增加，SiO2载体制得催化剂的催化活性与ZrO2催化剂的差距则有逐渐增大的趋势，推断随着气速的增加，反应气逐渐来不及扩散至孔道内，孔道内部的活性位点难于参与反应，从而使得SiO2载体孔隙率较高的优势逐渐不再明显。
为进一步验证三种催化剂稳定性，经水冲淋四周后催化交换效率(0.1 m/s)如图6所示。冲淋后三种催化剂交换活性均有所下降，而SiO2载体制得催化剂其下降最为明显，与其载体孔结构强度较低有关，经冲淋后催化剂结构遭到进一步破坏，活性位点减少导致催化活性下降明显。ZrO2及SiC载体制得催化剂的活性下降比率较低，稳定性优。相较三种载体制得的催化剂，ZrO2载体结构适宜且稳定，其制得催化剂活性最优且催化活性稳定性佳，最适宜作为新型Pt/疏水陶瓷催化剂的载体进行使用。 3228 SiC SiO2 ZrO2交换效率 $201612840.100.150.200.250.30气速 m/s Figure 5. Catalytic activity 图5. 催化剂交换效率 冲淋前/后冲淋前/后3025交换效率 151050冲淋前/后ZrO2载体SiO2载体SiC载体 Figure 6. Stability of catalysts 图6. 催化剂稳定性 4. 小结 研究采用了三种多孔陶瓷载体，其分别以ZrO2、SiO2及SiC为主要原料，载体经浸渍–气相还原法制得催化剂。通过对载体孔结构、催化剂铂粒子性能、催化活性及稳定性进行表征，表明适宜的载体结构不仅有利于活性位点的附着提高催化活性，还有助于提高催化剂的稳定性。研究结果表明，以ZrO2为主要原料制备载体，更易获得适宜且稳定的孔结构，制得催化剂的活性及稳定性均较优，最易获得适用于水氢同位素交换分离的Pt/疏水陶瓷催化剂。 DOI: 10.12677/nst.2020.83008 75 核科学与技术 贾青青 等
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核科学与技术
三种用于水氢交换的Pt 疏水陶瓷催化剂
