γ‑Al2O3基表面尖晶石载铑催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于化工催化剂技术领域，具体为γ‑Al2O3基表面尖晶石载铑催化剂及其制备方法和在分解N2O中的应用。本发明专利技术的催化剂是载铑的γ‑Al2O3基表面尖晶石，本发明专利技术采用在γ‑Al2O3表面浸渍金属硝酸盐溶液高温焙烧后合成表面尖晶石（MAl2O4‑surf），浸渍硝酸铑后焙烧得到表面尖晶石载铑催化剂（Rh/MAl2O4‑surf）。该类催化剂可用于N2O直接催化分解反应，具有较好的活性和稳定性以及氧气和水杂质气体共存下良好的催化性能，催化活性显著高于γ‑Al2O3载铑催化剂。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工催化剂
，具体涉及一种γ-Al2O3基表面尖晶石载铑催化剂及其制备方法和在高效分解N2O中的应用。
技术介绍
N2O产生于硝酸和己二酸的生产以及化石燃料和生物质的燃烧，它是一种温室气体和臭氧层消耗气体。一般认为，目前大气温室气体成分中，N2O对地球变暖的贡献仅次于CO2和CH4，其全球变暖值分别为CH4的15倍及CO2的310倍。此外N2O在对流层中非常稳定，平均寿命长，是人类排放的首要消耗臭氧层物质。大气中N2O背景浓度从工业革命之前的270 ppb增长到2007年的320 ppb，而且随着工业化进程的不断提高和机动车数目的迅猛增加，每年以0.2%-0.3%的速度增加。因此研究高效消除N2O的技术和方法具有非常重要的现实意义。N2O可以通过热分解、选择性催化还原、直接催化分解等方法消除。热分解能耗高，选择性催化还原需要加入烃类或者氨作为还原剂，造成二次污染，也会导致更高的成本以及潜在的环境风险。相比之下，直接催化分解法热力学可行，而且工艺简单，受到了人们的广泛关注。直接催化分解采用的催化剂主要包括贵金属、金属氧化物以及过渡金属交换的分子筛。相比其他催化剂，贵金属催化剂显示出优秀的低温活性，在低温催化氧化亚氮分解中有着独特的优势。各种贵金属催化剂中，Rh显示出比Pt、Pd更为优秀的活性，载体对催化剂的活性有很大影响。尖晶石具有良好的机械强度、高热稳定性和耐酸碱性，作为催化剂载体可以提供优良的机械稳定性与热稳定性。尖晶石表面的温和酸碱性和羟基基团，可以修饰负载金属的化学性质并产生强相互作用，使之适应催化反应实际应用的需要。相比于其他制备方法，表面尖晶石制备简单，材料易得，无毒副作用且消耗量少，符合绿色化学的理念。本专利技术将Rh/MAl2O4-surf应用于N2O直接分解反应，取得了良好的活性和稳定性，在水和氧气杂质气体存在下也具有较好的活性和稳定性，其催化活性明显高于以γ-Al2O3为载体制备的Rh/γ-Al2O3常用催化剂，相关的研究尚未见文献报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种活性高、稳定性好，并且在水和氧气杂质气体存在下也具有良好表现的高效分解N2O的催化剂及其制备方法和应用。本专利技术提供的催化剂，以γ-Al2O3基表面尖晶石（MAl2O4-surf）作为载体，以Rh作为活性组分负载于MAl2O4-surf上组成，Rh在MAl2O4-surf上的负载量为载体质量的0.2-2%，记为Rh/MAl2O4-surf催化剂。本专利技术中所述Rh/MAl2O4-surf催化剂的制备方法，具体步骤如下：（1）浸渍法合成表面尖晶石载体以金属硝酸盐为金属源，加水溶解，所得溶液与γ-Al2O3混合，搅拌均匀后在红外灯下蒸发干燥；所得样品在空气气氛中700-950℃焙烧2-10小时，制得γ-Al2O3基表面尖晶石；（2）浸渍法合成表面尖晶石载铑催化剂用等体积浸渍法将所需量的Rh(NO3)3溶液浸渍于表面尖晶石载体上，100-120℃干燥12-24小时，再于空气气氛中450-650℃焙烧2-8小时，即得所需的催化剂。步骤（1）中采用的金属硝酸盐选自Zn、Mg、Co、Ni和Cu的硝酸盐。步骤（1）中金属负载量为γ-Al2O3的0.2-20%。步骤（2）中Rh含量为0.2-2%。本专利技术的Rh/MAl2O4-surf催化剂可用于高效分解N2O为O2与N2，具有活性高、选择性高、稳定性好，以及在水和氧气杂质气体存在下催化性能较好的优点。Rh/MAl2O4-surf催化剂用于N2O分解为O2与N2，具体以He为平衡气，以调整载气中N2O的浓度，催化N2O分解的反应条件为：（1）反应温度为200-500℃；（2）He为平衡气，N2O的浓度为0.1-0.8%；（3）O2作为共存气时浓度为1-20%；（4）H2O作为共存气时浓度为0.5-10%；（5）混合气体的气时空速的范围为4000-20000 h-1。本专利技术中氧化铝表面尖晶石载体具有高稳定性、疏水性，该载体与负载金属之间的强相互作用有助于提高负载型铑催化剂催化分解N2O的活性、稳定性，以及在含水条件下的催化活性。相比于Rh/γ-Al2O3催化剂，本专利技术Rh/MAl2O4-surf催化剂显示出更好的活性，在300℃即可完全分解N2O为N2和O2。本专利技术利用简单的方法，制备了Rh/MAl2O4-surf催化剂，对N2O分解具有良好的催化活性、选择性、稳定性，在水和氧气杂质气体存在下其催化性能也较好，很大程度减少了N2O环境污染，具有良好的经济和社会效益。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步的阐述。实施例1按如下方法制备Rh/ZnAl2O4-surf催化剂：（1）称取0.091g的Zn(NO3)2•6H2O加入10 mL去离子水溶解，与2g的γ-Al2O3混合，搅拌均匀后在红外灯下蒸发干燥。所得样品在空气气氛中800℃焙烧4小时，制得1%载锌量的ZnAl2O4-surf表面尖晶石；（2）浸渍法合成表面尖晶石载铑催化剂用等体积浸渍法将硝酸铑溶液浸渍于ZnAl2O4-surf表面尖晶石上（Rh含量为1%），100℃干燥24小时后，于空气气氛中500℃焙烧4小时制得所需的催化剂。将上述催化剂0.5g装入内径8 mm的石英管中，通入N2O和He的混合气体进行反应，混合气体的气时空速为6000 h-1，N2O浓度为0.5%，反应温度251℃时，N2O分解率为50%，反应温度在300℃及以上时，N2O分解率达到100%。通入N2O、O2、H2O和He的混合气体进行反应，混合气体的气时空速为6000 h-1，N2O、O2和H2O浓度分别为0.5%、5%和2%，反应温度333℃时，N2O分解率为50%，反应温度在425℃及以上时，N2O分解率达到100%。实施例2控制Zn负载量为0.5%，催化剂其余制备过程及反应评价过程同实施例1。在催化反应中通入N2O和He的混合气体进行反应，反应温度258℃时，N2O分解率为50%，反应温度在300℃及以上时，N2O分解率达到100%。实施例3控制Zn负载量为10%，催化剂其余制备过程及反应评价过程同实施例1。在催化反应中通入N2O和He的混合气体进行反应，反应温度261℃时，N2O分解率为50%，反应温度在300℃及以上时，N2O分解率达到100%。实施例4以Cu(NO3)2•3H2O为金属源，采用实施例1的方法制得Rh/CuAl2O4-surf催化剂，Cu负载量为1%，Rh含量为1%。反应评价过程同实施例1，在催化反应中通入N2O和He的混合气体进行反应，反应温度260℃时，N2O分解率为50%，反应温度在300℃及以上时，N2O分解率达到100%。实施例5以Mg(NO3)2•6H2O为金属源，采用实施例1的方法制得Rh/MgAl2O4-surf催化剂，Mg负载量为1%，Rh含量为1%。反应评价过程同实施例1，在催化反应中通入N2O和He的混合气体进行反应，反应温度267℃时，N2O分解率为50%，反应温度在300℃及以上时，N2O分解率达到100%。对比例1以γ-Al2O3为载体，负载型Rh/γ-Al2O3催化剂的制备同实施例1中的步骤（2），Rh含量为1%。反应评价过程同实施例1，在催化反应中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种γ‑Al2O3基表面尖晶石载铑催化剂，其特征在于，以γ‑Al2O3基表面尖晶石MAl2O4‑surf作为载体，以Rh作为活性组分负载于MAl2O4‑surf上组成，Rh的负载量为载体质量的0.2‑2%，记为Rh/MAl2O4‑surf催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种γ-Al2O3基表面尖晶石载铑催化剂，其特征在于，以γ-Al2O3基表面尖晶石MAl2O4-surf作为载体，以Rh作为活性组分负载于MAl2O4-surf上组成，Rh的负载量为载体质量的0.2-2%，记为Rh/MAl2O4-surf催化剂。2.一种如权利要求1所述γ-Al2O3基表面尖晶石载铑催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）浸渍法合成表面尖晶石载体以金属硝酸盐为金属源，加水溶解，所得金属硝酸盐溶液与γ-Al2O3混合，搅拌均匀后在红外灯下蒸发干燥；将干燥后的物品在空气气氛中700-950℃焙烧2-10小时，制得γ-Al2O3基表面尖晶石；（2）浸渍法合成表面尖晶石载铑催化剂用等体积浸渍法将所需量的Rh(NO3)3溶液浸渍于表面尖晶石载体上，100-120℃干燥12-24小时，再于空气气氛中450-650℃焙烧2-8小时，即得所需的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄诚贇，马臻，刘惠章，薛芳琦，罗亚军，高标，华伟明，乐英红，高滋，
申请(专利权)人：复旦大学，江苏索易新材料科技有限公司，上海索易分子筛有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31