結果與討論

3-1 不同過渡金屬在常見的氧化物上催化測試結果

在此系列實驗中，主要測試為常使用於催化反應之過渡金屬吸附在不 同載體上所呈現的催化反應效率。

1. 5‰M/SiO2

依照 2-2-4 所述方法填充催化劑，測量 5‰M/SiO₂，可得知氫氣選擇率 為 ：

Co：1.6% Ni：0.2% Cu：0.2%

Rh：49.6% Pd：0.3% Ag：0.3%

Ir：50.6% Pt：1.2% Au：4.4%

表4 5‰M/SiO2催化劑測試結果 2. 5‰M/ZrO2

依照之前所述方法填充催化劑，測量 5‰M/ ZrO₂，可得知氫氣選擇 率為：

Co：2.8% Ni：0.3% Cu：9.7%

Rh：41.0% Pd：12.5% Ag：5.1%

Ir ：61.4% Pt：15.1% Au：7.1%

表5 5‰M/ZrO2催化劑測試結果

3. 5‰M/Al2O3

依照之前所述方法填充催化劑，測量5‰M/ Al₂O₃，可得知氫氣選擇 率為 ：

Co：2.6% Ni：1.7% Cu：5.5%

Rh：50.0% Pd：12.8% Ag：2.7%

Ir ：56.6% Pt：20.8% Au：11.6%

表6 5‰M/ Al2O3催化劑測試結果 4. 5%M/10%CeO2/Al2O3

依照之前所述方法填充催化劑，測量5%M/10%CeO₂/Al₂O₃，可得知 氫氣選擇率為 ：

Co：20.2% Ni：27.3% Cu：20.3%

Rh：90.5% Pd：26.9% Ag：15.0%

Ir ：97.3% Pt：53.7% Au：17.6%

表7 5%M/10%CeO2/Al2O3催化劑測試結果

由測試結果可知，在前三種不同的氧化物的條件下，不同金屬的催 化效率也不盡相同，吸附在前三種氧化物上，Rh、Pt、Ir 有較高的氫氣 選擇率。而在第四個實驗(5%M/10%CeO₂/Al₂O₃)的結果中，Rh 以及 Ir 的 氫氣選擇率更高，而在此我們選用改變Ir 的重量百分比、通入空氣流速、

碳氫比( CO ratio )作為一系列的研究。

3-2 利用浸泡法製作催化劑

3-2-1 Ir/10%CeO2/Al2O3

本實驗主要使用硝酸鈰溶入乙醇中利用超音波震盪使其均勻溶解，接

著加入1g 氧化鋁顆粒於此溶液中並放入烘箱烘乾樣品，在將樣品進行高溫 燒結。

接著再秤取適量IrCl₃加入去離子水使其溶解，並將前製樣品放入此溶 液中使其吸附，再進行燒結及還原步驟。

3-2-2 5%Rh+Ir/10%CeO2/Al2O3

本實驗主要使用硝酸鈰溶入乙醇中利用超音波震盪使其均勻溶解，接

著加入1 g 氧化鋁顆粒於此溶液中並放入烘箱烘乾樣品，在將樣品進行高溫 燒結。

接著在秤取適量 Rh 金屬鹽類及 Ir 金屬鹽類加入去離子水使其溶解，並 將前製樣品放入此混和溶液中使其吸附，再進行燒結及還原步驟。

3-2-3 5%Ru+Ir/10%CeO2/Al2O3

本實驗主要使用硝酸鈰溶入乙醇中利用超音波震盪使其均勻溶解，接

著加入1 g 氧化鋁顆粒於此溶液中並放入烘箱烘乾樣品，在將樣品進行高溫 燒結。

接著在秤取適量 Ru 金屬鹽類及 Ir 金屬鹽類加入乙醇使其溶解，並將前 製樣品放入此混和溶液中使其吸附，再進行燒結及還原步驟。

3-3 乙醇轉氫之催化效率測試

3-3-1 不同重量百分比金屬 Ir 之催化效率變化

本實驗主要測試由浸泡法製成之 3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃、

5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃及7%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑，改變Ir 金屬吸附之重 量百分比，在碳氫比值( C/O )為 0.7，氣體流速 0.5 SLPM 的實驗條件下進

行，其中SLPM 表示流速為每分鐘通過標準狀態下的氣體體積公升量。

由圖 3-1，測試結果可知 5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑在流速空氣 0.5SLPM 及碳氫比值為 0.7 的實驗條件下可以得到最高氫氣選擇率為

66.9%，3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的催化劑則為62.5%，7%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的 催化劑為64.6%。

(A) 掃描式電子顯微鏡分析( Scanning Electron Microscopy )：

圖3-2 為 5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑的SEM 圖，由圖可知 5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃表面有明顯粒子及孔隙分佈。

(B) X 光粉末繞射儀分析( X-ray powder diffraction pattern, XRD )：

圖3-3 為 5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的XRD 圖。

(C) 能量分散式光譜儀分析( Energy Dispersive Spectrum，EDS )：

圖3-4 為 5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃ 的 EDS 圖，由圖可知其樣品中除了有 鋁( Al )、氧( O )、鈰( Ce )、銥( Ir )等訊號外，亦有少量碳元素訊號，

其餘訊號為鍍鉑(Pt)所得。

3 4 5 6 7 60

61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

H 2 selectivity

Ir Weight %

% Ir/10 % CeO

₂

/Al

₂

O

₃

圖3-1 不同重量百分比之 Ir/10%CeO2/Al2O3之催化效率比較圖

圖3-2 5%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑的SEM 圖

Lin (Counts)

3-3-2 反應時間與催化劑接觸時間對催化效率影響

與5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃及 7%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑。

圖 3-6 為 3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑改變碳氫比值對催化效率影響。

圖 3-7 為 5%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑改變碳氫比值對催化效率影響。

圖 3-8 為 7%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑改變碳氫比值對催化效率影響。

圖 3-9 為三種催化劑共同比較圖。

測試結果可知此三種催化劑皆在 C/O=0.6 時，可以得到最高氫氣選擇 率，分別為97.2%、101.4%及 104.4%。

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

40 50 60 70 80 90 100

H

2

sele c tivity

CO ratio

3 % Ir-CeO

₂

圖3-6 3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑改變碳氫比值之催化效率變化

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

(B) 掃描式電子顯微鏡分析( Scanning Electron Microscopy )：

圖3-11 為 3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑在經過長達 65 小時催化反應 後的SEM 圖，可以看出在催化劑表面上有些許的群聚以及碳沉積於

催化劑表面上。

(C) X 光粉末繞射儀分析( X-ray powder diffraction pattern, XRD )：

圖3-12 為 3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑在經過 65 小時催化反應後的 XRD 圖。

(D) 能量分散式光譜儀分析(Energy Dispersive Spectrum，EDS)：

而圖3-13 為 3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑在經過 65 小時催化反應後

圖3-11 3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應後的SEM 圖

Lin (Counts)

0 1000 2000 3000 4000 5000

2-Theta - Scale

15 20 30 40 50 60 70 80

圖3-12 3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應後的XRD 圖

圖3-13 3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應後的EDS 圖

3-4 利用 Ir 長時間穩定之優勢搭配 Rh 及 Ru 金屬於催化反應

3-4-1 5%Rh/10%CeO₂/Al₂O₃搭配不同重量百分比Ir 金屬

在此實驗中，由 5%Rh/10%CeO₂/Al₂O₃分別搭配1%、2%、3%及 4%Ir 進行乙醇轉氫催化效率測試，並在不同的碳氫比值條件下比較。

圖 3-14 測試結果可知在 C/O = 0.7 的條件下，四種不同催化劑均有最 大值，且在此條件下5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑有最大值104.3%。

(A) 掃描式電子顯微鏡分析( Scanning Electron Microscopy )：

圖3-15 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑的SEM 圖，由圖可知 在催化劑表面粒子分佈均勻，且沒有群聚現象。

(B) X 光粉末繞射儀分析( X-ray powder diffraction pattern, XRD )：

圖3-16 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的XRD 圖。

(C) 能量分散式光譜儀分析( Energy Dispersive Spectrum，EDS )：

圖3-17 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的EDS 圖，由圖可明顯判別 出銠( Rh )、鈰( Ce )的訊號，亦有少量的銥( Ir )及碳( C )。

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 65

70 75 80 85 90 95 100 105

H 2 selectivity

CO ratio

5 % Rh + 1 % Ir 5 % Rh + 2 % Ir 5 % Rh + 3 % Ir 5 % Rh + 4 % Ir

圖3-14 5%Rh/10%CeO2/Al2O3與Ir%的催化劑在不同碳氫比值下催化效率圖

圖3-15 5%Rh+1%Ir/10%CeO /Al O 催化劑的SEM 圖

Lin (Counts)

3-4-2 5%Ru/10%CeO₂/Al₂O₃搭配不同重量百分比Ir 金屬

在此實驗中，由 5%Ru/10%CeO₂/Al₂O₃分別搭配1%、2%、3%及 4%Ir 分別進行乙醇轉氫催化效率測試，並在不同的碳氫比值條件下比較。

圖 3-18， 測試結果可知在 C/O = 0.6 的條件下，四種不同催化劑均有 最大值，且在此條件下5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑有最大值106.3%。

(A) 掃描式電子顯微鏡分析( Scanning Electron Microscopy )：

圖3-19 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑的SEM 圖，由圖可知 在催化劑表面粒子分佈均勻，但有少許群聚現象。

(B) X 光粉末繞射儀分析( X-ray powder diffraction pattern, XRD )：

圖3-20 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的XRD 圖。

(C) 能量分散式光譜儀分析( Energy Dispersive Spectrum，EDS )：

圖3-21 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃的EDS 圖，由圖可明顯判別 釕( Ru )、鈰( Ce )的訊號，亦有少量的銥( Ir )及碳( C )。

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Lin (Counts)

3-4-3 長時間穩定度( Long-term stability )測試 1. 5%Rh+1%Ir/10%CeO2/Al2O3

(A) 圖 3-22 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長達45 小時乙醇轉氫反應的效率測試結果。由測試結果可知催化效率 在長時間反應下有稍微下降的趨勢，但在長時間反應下依然有 穩定的催化表現。

(B) 掃描式電子顯微鏡分析( SEM )：

圖3-23 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時間催化反 應的SEM 圖，由圖可看出經過 45 小時反應後，催化劑表面顆粒 粒徑變大，且有群聚的現象。

(C) X 光粉末繞射儀分析( XRD )：

圖 3-24 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時間催化反 應的 XRD 圖。

(D) 能量分散式光譜儀分析( EDS )：

圖3-25 為 5%Rh+1%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時間催化反 應的 EDS 圖，經由元素分析，發現跟催化反應進行前(圖 3-17) 相比，碳元素含量的增長相當明顯，可以說明在催化劑表面有 嚴重的碳沉積現象。

0 10 20 30 40 50

Lin (Counts)

0 1000 2000 3000 4000 5000

2-Theta - Scale

15 20 30 40 50 60 70 80

圖3-24 5%Rh+1%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應的XRD 圖

圖3-25 5%Rh+1%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應的EDS 圖

2. 5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3

(A) 圖 3-26 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時

間乙醇轉氫效率測試。由測試結果可知催化效率在長時間反應下 有明顯下降的趨勢，且有不穩定的催化效率。

(B) 掃描式電子顯微鏡分析( SEM )：

圖3-27 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時間催化反 應的SEM 圖，由圖可看出經過 50 小時反應後，催化劑表面顆粒 粒徑變大，且有群聚的現象。

(C) X 光粉末繞射儀分析( XRD )：

圖 3-28 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時間催化反 應的 XRD 圖。

(D) 能量分散式光譜儀分析( EDS )：

圖3-29 為 5%Ru+3%Ir/10%CeO₂/Al₂O₃催化劑經過長時間催化反 應的 EDS 圖，經由元素分析，發現跟催化反應進行前(圖 3-21) 相比，碳元素含量的增長相當明顯，可以說明在催化劑表面有 嚴重的碳沉積現象。

0 10 20 30 40 50 60 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

H 2 selectivity(%)

Duration(hr)

5 % Ru + 3 % Ir/10 % CeO

₂

/Al

₂

O

₃

圖3-26 5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑長時間效率變化圖

圖3-27 5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應的SEM 圖

Lin (Counts)

0 1000 2000 3000 4000 5000

2-Theta - Scale

15 20 30 40 50 60 70 80

圖3-28 5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應的XRD 圖

圖3-29 5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3催化劑經過長時間催化反應的EDS 圖

3-5 經過催化反應產生主要副產物濃度分析

前述表現良好之催化劑的發現副產物中乙醛含量相當稀少。

如表 3-5-1，此論文中主要探討之催化劑，5%Ir/10%CeO2/Al2O3、 5%Rh+1%Ir/10%CeO2/Al2O3及5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3的副產物分析。

表8 副產物中乙醛濃度分析

催化劑 乙醛濃度

5%Ir/10%CeO2/Al2O3 0.40%

5%Rh+1%Ir/10%CeO2/Al2O3 0.35%

5%Ru+3%Ir/10%CeO2/Al2O3 1.53%

在文檔中 利用銠、釕、銥金屬製備乙醇轉氫催化劑的效率研究以供燃料電池的應用 (頁 41-68)