專利名稱：一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在非金屬表面形成鈀合金膜，特 別涉及一種在多孔通孔陽極氧化鋁膜的表面上形成鈀-銅合金膜，即一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜及其制備方法和其在催化甲烷水蒸氣重整制氫和對混合氣中氫氣的分離中的應用。
背景技術：
陽極氧化鋁膜具有孔的高度有序性、比表面積大等特點，在催化材料、分離等領域有著廣泛的應用前景。在陽極氧化鋁膜上用浸潰法和溶膠_凝膠法可制備催化膜。
例如Ganley JC等將多孔陽極氧化鋁膜浸潰在RuCl3和Ni (NO3) 2混合液中，制備出了 Ru-Ni-Al2O3的膜催化劑用于催化胺的分解，實驗表明胺的轉化率隨著Ru的負載量的增加而顯著增加。
高原等采用陽極氧化法制備多孔氧化鋁薄膜，然后用溶膠_凝膠法在膜孔內填充 TiO2，制備出的具有光催化活性的TiO2納米線膜用于吖啶橙的降解要比相同條件下制備的 TiO2/玻璃膜的催化活性好。
金屬鈀及其合金膜是最早研究用于氫氣分離的無機膜，也可能是目前用于氫氣分離的唯一商業化的無機膜。目前，在非金屬表面要形成金屬膜，通常采用化學鍍的方法。 化學鍍法的工藝操作復雜，而且，由于較多的活化步驟、敏化步驟，必然在最后進行化學鍍之前，會有大量的預處理過程，無可避免地會耗費較多時間。
目前催化甲烷水蒸氣重整制氫的催化劑中，同時進行催化及分離作用的催化劑只有鈀和鈀合金，在非金屬表面要形成鈀和鈀合金膜，通常采用化學鍍的方法。由于化學鍍法的工藝操作復雜，而且，有較多的活化步驟、敏化步驟，必然在最后進行化學鍍之前，會有大量的預處理過程，無可避免地會耗費較多時間，并且目前尚無鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜催化劑的報道。發明內容
本發明的目的之一是提供一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
本發明的目的之二是為了解決上述的采用化學鍍的方法在非金屬表面要形成鈀合金膜時，由于化學鍍法的工藝操作復雜，而且，有較多的活化步驟、敏化步驟，必然在最后進行化學鍍之前，會有大量的預處理過程，無可避免地會耗費較多時間等的技術問題而提供一種利用電鍍法制備上述的一種鈀_銅_三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法。
本發明目的之三在于將上述的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜在催化甲烷水蒸氣重整制氫和對混合氣中氫氣的分離中的應用。
本發明的技術方案一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜，即采用電鍍法在多孔通孔陽極氧化鋁膜的表面鍍上一層鈀-銅膜，且制備過程中貼在陰極上的這一面鍍上的鈀-銅膜的結構致密，厚度為O. I O. 5 μ m，最終形成一表面是多納米孔、另一表面是致密的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜；所述的鈀_銅膜中鈀、銅按質量比計算，即鈀銅為I :0. 2 I. 3。
上述的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，具體包括如下步驟(I )、將多孔通孔陽極氧化鋁膜放入純水中，用超聲波清洗，干燥，灼燒；其中超聲波處理時間為5 30min ;干燥溫度為50 100°C，干燥時間O. 5 5h ;灼燒溫度為800 1100°C，灼燒時間O. 5 5h ;(2)、用膠帶將上述處理后的待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜粘貼在陰極上，在陰極的反面粘貼透明膠帶；其中所述的膠帶為透明膠帶或雙面膠帶；所述的陰極為鎳板或鋼板；(3)、用水溶解鈀鹽、銅鹽、絡合劑、氯化物，用氫氧化鈉溶液或硫酸溶液調節pH值為 2 4，制成鈀鹽-銅鹽-絡合劑-氯化物電鍍液；所述的鈀鹽_銅鹽_絡合劑_氯化物電鍍液中鈀鹽、銅鹽、絡合劑、氯化物的濃度分別為0· 5 10g/L、0. 5 50g/L、l 20g/L、l 30g/L ；所述的鈀鹽為氯化鈀、醋酸鈀或氯化鈀與醋酸鈀組成的混合物；所述的銅鹽為硫酸銅、氯化銅、硝酸銅中的一種或兩種以上組成的混合物；所述的絡合劑為甲酸、乙酸、檸檬酸、草酸、酒石酸、乳酸、氨基乙酸、羥基乙酸中的一種或兩種以上組成的混合物；所述的氯化物為氯化鈉、氯化鉀、氯化銨中的一種或兩種以上組成的混合物；(4 )、將待鍍的鍍件放入電鍍液中電鍍；電鍍的工藝條件為電流密度為I. 5 15A/dm2，電鍍液pH值為2 4. 5，溫度為5 50°C，攪拌轉速為100 600rpm，施鍍時間為14 30min，陽極為鈀板；(5)、取出鍍件，用水沖洗凈，風干，剝去膠帶，將鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜與陰極分開，得到鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
上述所得的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜在催化甲烷水蒸氣重整制氫及催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣分離中的應用甲烷水蒸氣按H20:CH4:N2=3:1:2. 8(體積比)，流量為13. 820L .g—1 士―1(每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過甲烷水蒸氣的體積)，溫度為500 1000°C條件下，最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的甲烷催化轉化率為100%，鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離系數(H2/CH4)為906 920， 鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的透氫率為7. 31 7. 98 X IO-6Hi0I · πΓ2 · fPa—1。
上述所得的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜單獨用于混合氣中氫氣的分離原料混合氣中H2:CH4:N2=4:1:2. 8 (體積比)，流量為13. 820L*g^ -h^1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過原料混合氣的體積)，溫度為300 500°C條件下，最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對混合氣中氫氣的分離系數(H2/CH4)為925 928。
本發明的有益效果本發明的一種鈀-銅_三氧化二鋁催化分離復合膜，由于一表面是多納米孔，另一表面4是致密的鈀-銅膜。因此用于催化甲烷水蒸氣重整制氫，所產生的氫氣可通過致密的鈀-銅膜分離，多納米孔具有提高催化性能的納米效應，因此本發明的一種鈀-銅-三氧化二鋁膜在催化甲烷水蒸氣重整制氫中，甲烷催化轉化率達100%，并同時具有分離氫氣的功能。本發明的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于催化甲烷水蒸氣重整制氫及催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離，最終鈀_銅_三氧化二鋁催化分離復合膜的甲烷催化轉化率為100%，對催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離系數(H2/CH4)為906 920，鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的透氫率為7. 31 7. 98 XlO^mol ·πΓ2 · S4Pa'
本發明的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜單獨用于混合氣中氫氣的分離，最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對氫氣的分離系數(H2/CH4)為925 928。
另外，本發明的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，由于采用電鍍法，相對于現有技術中的一般制備方法而言，具有使用設備簡單，制備方法的步驟少，制備過程較省時等。
圖I、多孔通孔陽極氧化鋁膜粘貼在陰極上的示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例并結合附圖對本發明進一步闡述，但并不限制本發明。
實施例I一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，具體包括如下步驟(1)、將90mmX60mmX250ym多孔通孔陽極氧化鋁膜放入500mL的燒杯中，加420mL 純水中，用超聲波清洗30min，取出多孔通孔陽極氧化鋁膜，在100°C烘箱中干燥O. 5h，在 800°C高溫爐中灼燒5h，將多孔通孔陽極氧化鋁膜取出冷至室溫；(2)、用透明膠帶將上述處理后的待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜粘貼在 150mmX 60mmX 2mm的電解鎳板上,在該電解鎳板的反面粘貼透明膠帶，具體的粘貼方式如圖I所示，即首先將上述處理待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜放在150mmX60mmX2mm的電解鎳板即陰極的一端上，然后用透明膠帶將上述處理待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜固定在該電解鎳板上，在該電解鎳板的反面粘貼透明膠帶；(3)、在2L的燒杯中加入O.5g氯化鈀、O. 5g硫酸銅、O. 5甲酸g、0. 5g檸檬酸、Ig氯化鈉，加985mL水溶解，形成氯化鈀-硫酸銅-甲酸-檸檬酸-氯化鈉混合液，用硫酸溶液調節PH值為2，移入IL容量瓶中，用水稀釋至刻度，制得電鍍液；(4)、將上述電鍍液轉入2L的燒杯中，將上述粘貼有多孔通孔陽極氧化鋁膜的 150mmX60mmX2mm的電解鎳板放入電鍍液中并為陰極，陽極為150mmX IOOmmX2mm的鈕板，磁力攪拌，攪拌轉速為lOOrpm，溫度為5°C，電流密度為I. 5A/dm2，電鍍液pH值為2，施鍍時間為14min ；(5)、取出鍍件，用水沖洗凈，風干，剝去膠帶，將鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜與陰極分開，得到鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
用德國Fisher XMDVM-T7. 1_W測厚儀測得致密的鈀_銅膜厚度為O. I μ m。
用德國布魯克AXS有限公司APEX2型號電子能譜儀對上述所得的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜進行測定，結果表明，鈀-銅-三氧化二鋁催化復合膜中鈀和銅按質量比的比例，即鈀銅為I :0.9。
將上述所得的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于催化甲烷水蒸氣重整制氫及催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離甲烷水蒸氣按H20:CH4:N2S 3:1:2.8 (體積比)，流量為13. 820L · g-1 · h-1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過甲烷水蒸氣的體積)，溫度為500°C條件下， 最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的甲烷催化轉化率為100%，鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離系數(H2/CH4)為920， 鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的透氫率為7. 31 X IO-6Hi0I · πΓ2 · fPa'
將上述所得的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于混合氣中氫氣的分離原料混合氣中H2:CH4:N2為4:1:2. 8 (體積比)，流量為13. 820L · g-1 · h-1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過原料混合氣的體積)，溫度為300°C條件下， 最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對混合氣中氫氣的分離系數(H2/CH4)為928。
實施例2一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，具體包括如下步驟(1)、將90mmX60mmX250ym多孔通孔陽極氧化鋁膜放入500mL的燒杯中，加420mL純水中，用超聲波清洗5min，取出多孔通孔陽極氧化鋁膜，在50°C烘箱中干燥5h，在1100°C高溫爐中灼燒O. 5h，將氧化鋁膜取出冷至室溫；(2)、用雙面膠帶將上述處理后的待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜粘貼在 150_X60_X2mm的鋼板上,在該鋼板的反面粘貼透明膠帶,具體同實施例I ;(3)、在2L的燒杯中加入IOg醋酸鈀、30g氯化銅、20g硝酸銅、20g乙酸、30g氯化鉀，加 985mL水溶解，形成醋酸鈀-氯化銅-硝酸銅-乙酸-氯化鉀混合液，用氫氧化鈉溶液調節 PH值為4，移入IL容量瓶中，用水稀釋至刻度，制得電鍍液；(4)、將上述電鍍液轉入2L的燒杯中，將上述粘貼有多孔通孔陽極氧化鋁膜的 150mmX60mmX2mm的鋼板放入電鍍液中并為陰極，陽極為150mmX IOOmmX 2mm的IE板，磁力攪拌，攪拌轉速為600rpm，電流密度為15A/dm2，電鍍液pH值為4，溫度為50°C，施鍍時間為 30min ；(5)、取出鍍件，用水沖洗凈，風干，剝去膠帶，將鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜與陰極分開，得到鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
用德國Fisher XMDVM-T7. 1_W測厚儀測得致密的鈀-銅膜厚度為O. 5 μ m。
用德國布魯克AXS有限公司APEX2型號電子能譜儀對上述所得的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜進行測定，結果表明，鈀-銅-三氧化二鋁催化復合膜中鈀和銅按質量比的比例，即鈀銅為I :1.3。
將上述所得的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于催化甲烷水蒸氣重整制氫和催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離甲烷水蒸氣按H20:CH4:N2S 3:1:2.8 (體積比)，流量為13. 820L · g-1 · h-1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過甲烷水蒸氣的體積)，溫度為1000°C條件下，最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的甲烷催化轉化率為100%，對催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離系數(H2/CH4)為906，鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的透氫率為 7. 98 X 1(Γ6ι οI · πΓ2 · S-1Pa'
將上述所得的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于混合氣中氫氣的分離原料混合氣中H2:CH4:N2為4:1:2. 8 (體積比)，流量為13. 820L · g-1 · h-1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過原料混合氣的體積)，溫度為400 V條件下， 最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對混合氣中氫氣的分離系數(H2/CH4)為925。
實施例3一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，具體包括如下步驟(1)、將90mmX60mmX250ym多孔通孔陽極氧化鋁膜放入500mL的燒杯中，加420mL純水中，用超聲波清洗17min，取出多孔通孔陽極氧化鋁膜，在85°C烘箱中干燥2h，在900°C高溫爐中灼燒3h，將多孔通孔陽極氧化鋁膜取出冷至室溫；(2)、用透明膠帶將上述處理后的待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜粘貼在 150mmX60mmX2mm的鋼板上,在該鋼板的反面粘貼透明膠帶,具體同實施例I ;(3)、在2L的燒杯中加入2g氯化鈀、2 g醋酸鈀、O. 8g硝酸銅、5g酒石酸、15g氯化銨， 加985mL水溶解，形成氯化鈀-醋酸鈀-硝酸銅-酒石酸-氯化銨混合液，用氫氧化鈉調節溶液PH值為3，移入IL容量瓶中，用水稀釋至刻度，制得電鍍液；(4)、將上述電鍍液轉入2L的燒杯中，將上述粘貼有多孔通孔陽極氧化鋁膜的 150mmX60mmX2mm的鋼板放入電鍍液中并為陰極，陽極為150mmX IOOmmX 2mm的IE板，磁力攪拌，攪拌轉速為300rpm，電流密度為ΙΟΑ/dm2，電鍍液pH值為4. 5，溫度為25°C，施鍍時間為20min ；(5)、取出鍍件，用水沖洗凈，風干，剝去膠帶，將鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜與陰極分開，得到鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
用德國Fisher XMDVM-T7. 1_W測厚儀測得致密的鈀-銅膜厚度為O. 35 μ m。
用德國布魯克AXS有限公司APEX2型號電子能譜儀對上述所得的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜進行測定，結果表明，鈀-銅-三氧化二鋁催化復合膜中鈀和銅按質量比的比例，即鈀銅為I :0.2。
將上述所得的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于催化甲烷水蒸氣重整制氫和催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離甲烷水蒸氣按H20:CH4:N2S 3:1:2.8 (體積比)，流量為13. 820L · g-1 · h-1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過甲烷水蒸氣的體積)，溫度為700°C條件下， 最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的甲烷催化轉化率為100%，對催化甲烷水蒸氣重整制氫后所得的氫氣的分離系數(H2/CH4)為911，鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的透氫率為 7. 79X l(T6mol · πΓ2 · S-1Pa'
將上述所得的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于混合氣中氫氣的分離原料混合氣中H2:CH4:N2為4:1:2. 8 (體積比)，流量為13. 820L · g-1 · h-1 (每克鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜每小時流過原料混合氣的體積)，溫度為350°C條件下， 最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜對混合氣中氫氣的分離系數(H2/CH4)為926。
以上所述僅是本發明的實施方式的舉例，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜，其特征在于采用電鍍法在多孔通孔陽極氧化鋁膜的表面鍍上一層鈀-銅膜，且制備過程中貼在陰極上的這一面鍍上的鈀-銅膜的結構致密，厚度為O. I 0.5 μ m，最終形成一表面是多納米孔、另一表面是致密的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
2.如權利要求I所述的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜，其特征在于所述的鈀-銅膜中，鈀和銅按質量比計算，即鈀銅為I :0. 2 I. 3。
3.如權利要求I或2所述的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (I )、將多孔通孔陽極氧化鋁膜放入純水中，用超聲波清洗，干燥，灼燒； (2)、用膠帶將上述處理后的待鍍的多孔通孔陽極氧化鋁膜粘貼在陰極上，在陰極的反面粘貼透明膠帶； 其中所述的膠帶為透明膠帶或雙面膠帶； 所述的陰極為鎳板或鋼板； (3)、用水溶解鈀鹽、銅鹽、絡合劑、氯化物，用氫氧化鈉溶液或硫酸溶液調節pH值為2 4，制成鈀鹽-銅鹽-絡合劑-氯化物電鍍液； 所述的鈀鹽-銅鹽-絡合劑-氯化物電鍍液中鈀鹽、銅鹽、絡合劑、氯化物的濃度分別為 O. 5 10g/L、0. 5 50g/L、l 20g/L、l 30g/L ； 所述的鈀鹽為氯化鈀、醋酸鈀或氯化鈀與醋酸鈀組成的混合物； 所述的銅鹽為硫酸銅、氯化銅、硝酸銅中的一種或兩種以上組成的混合物； 所述的絡合劑為甲酸、乙酸、檸檬酸、草酸、酒石酸、乳酸、氨基乙酸、羥基乙酸中的一種或兩種以上組成的混合物； 所述的氯化物為氯化鈉、氯化鉀、氯化銨中的一種或兩種以上組成的混合物； (4 )、將待鍍的鍍件放入電鍍液中電鍍； 電鍍的工藝條件為電流密度為I. 5 15A/dm2，電鍍液pH值為2 4. 5，溫度為5 50°C，攪拌轉速為100 600rpm，施鍍時間為14 30min，陽極為鈀板； (5)、取出鍍件，用水沖洗凈，風干，剝去膠帶，將鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜與陰極分開，即得到鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。
4.如權利要求3所述的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的超聲波處理時間為5 30min ;所述的干燥溫度為50 100°C，干燥時間O.5 5h ;所述的灼燒溫度為800 1100°C，灼燒時間O. 5 5h。
5.如權利要求I或2所述的一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜用于催化甲烷水蒸氣重整制氫及催化甲烷水蒸氣重整制氫后所產生的氫氣的分離或混合氣中氫氣的分離。
全文摘要
本發明公開了一種鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜及其制備方法和應用，即采用電鍍法在多孔通孔陽極氧化鋁膜的表面鍍上一層鈀-銅膜，且制備過程中貼在陰極上的這一面鍍上的鈀-銅膜的結構致密，厚度為0.1～0.5μm，最終形成一表面是多納米孔、另一表面是致密的鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜。該鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜應用于催化甲烷水蒸氣重整制氫和混合氣中氫氣的分離，最終鈀-銅-三氧化二鋁催化分離復合膜的甲烷催化轉化率為100%，透氫率為7.31～7.98×10-6mol·m-2·s-1Pa-1，對催化甲烷水蒸氣重整制氫后所產生的氫氣的分離系數(H2/CH4)為906～920。
文檔編號B01D69/12GK102921309SQ201210453159
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者劉小珍, 劉兆鑫 申請人:上海應用技術學院