Au/Y製備及催化一氧化碳氧化反應之熱傳效應探討

Abstract

本研究以氯化金酸為前軀物，Y型沸石為擔體，在溶液中將金載負於擔體上製備Au/Y觸媒，在0℃溫度下催化一氧化碳氧化反應，鑑定工具為AA、TPR、HRTEM、SEM、solid-state NMR、XRD和TGA。研究主要分為三部分。首先，嘗試就以下製程變因：(1) 修飾擔體溶液的pH值，(2) 擔體乾燥方式，了解製程變化對觸媒活性的影響，並探討金載負於擔體的機制。第二，為了解觸媒催化反應過程中，累積的熱量（一氧化碳氧化反應為放熱反應）對觸媒活性造成的影響，設計以下兩種變因：(1) 透過觸媒製備中的擔體用量控制Au/Y的金載負量，以及(2)反應中用以幫助熱傳的石英砂用量，探討熱傳效應在觸媒催化反應中所扮演的角色。第三，在相同程序下所製備的Au/Y中，會有明顯的金載負量差異，研究結果顯示製備觸媒的pH值微量變化會對金載負量有顯著的影響，因此本研究結論出一製備程序，透過有效地控制製程中金溶液pH值，解決相同製程下金載負量差異的問題。 以下是部份的研究成果：(1) 相較於室溫和60℃乾燥的沸石，金於未經乾燥之沸石載負量最低， (2) 修飾沸石的溶液pH值越低，則金的載負量越高， (3) 由XRD和SEM的鑑定結果指出，沸石的修飾過程對晶體結構會產生破壞，然而，金在沒有經過任何修飾過的沸石上載負量卻是最低的， (4) 比較室溫乾燥和60℃乾燥沸石的solid-state NMR鑑定結果，發現室溫乾燥的沸石含有較多的OH基，而金於室溫乾燥下沸石的載負量大於60℃乾燥下的沸石。 本研究針對金載負於Y型沸石的機制，提出以下可能的情況：(1) 當乾燥的Y型沸石放入金溶液時，沸石吸收溶液的程序使金化合物初步的沈積於沸石孔洞內，(2) H＋催化脫水反應形成更多金化合物的鍵結，(3) 沸石結構損壞有助於金化合物擴散及吸附於孔洞內部，(4) 沸石內部OH基與金化合物脫水形成鍵結。 針對石英砂用量對觸媒活性影響，結果顯示，石英砂的添加有助於觸媒活性穩定度的提升，這是因為石英砂可以幫助熱傳以及減少觸媒內部熱的累積。此外，比較金載負量差異對觸媒活性的影響，高載負量的Au/Y雖然有較高的催化活性，但活性穩定性明顯較差。綜合以上結果，由於沸石的孔洞結構，熱傳導能力不佳，一氧化碳氧化反應所釋放的熱能會累積於觸媒內部，熱能不但有助於提升初始反應時金的還原速率(活化金的催化能力)，同時也會提升觸媒內部的溫度而加快氧化反應速率。然而過多的熱量累積也會造成金顆粒的聚集，導致Au/Y觸媒活性的衰退，此一現象在金載負量較高的Au/Y觸媒活性表現中尤其明顯。