一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂及其制备方法以及应用技术

本发明专利技术提供了一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，由八面体CeO2颗粒以及负载于所述八面体CeO2颗粒表面的Pd纳米颗粒构成。本发明专利技术提供的催化氧化低浓度甲烷的催化剂为一种Pd基八面体CeO2催化剂，Pd纳米颗粒在载体八面体CeO2颗粒表面的分散度高，相对稳定性好，对于低浓度甲烷的催化氧化效率高，催化剂的相对热稳定性好，低浓度甲烷完全转化时所需的温度较低，并且催化反应产物为H2O和CO2是环境友好型产物，在低浓度甲烷催化氧化领域具有极大的应用价值。

Catalyst for catalytic oxidation of low concentration methane and preparation method and application thereof

The present invention provides a catalyst for catalytic oxidation of low concentration methane, consisting of eight - hedral CeO2 particles and Pd nanoparticles loaded on the surface of the eight surface body of the eight surface body. The catalyst for catalytic oxidation of low concentration methane is a Pd based eight surface CeO2 catalyst. The Pd nanoparticles have high dispersion, relatively stable relative stability, high catalytic oxidation efficiency for low concentration methane, good thermal stability for low concentration methane, and complete conversion of low concentration methane when the Pd nanoparticles are on the eight surface of the carrier. The required temperature is low, and the products of catalytic reaction H2O and CO2 are environmentally friendly products. It has great application value in the field of catalytic oxidation of low concentration methane.

【技术实现步骤摘要】
一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂及其制备方法以及应用
本专利技术属于节约能源与保护环境
，具体涉及一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂及其制备方法以及应用。
技术介绍
目前，人们已经意识到保护环境的重要性。随着汽油价格及尾气排放标准的提升，天然气被认为是一种极好的可替代燃料，由于其储量丰富及所需储运方式简单。然而，天然气的主要成分是甲烷，一种典型的温室气体。温室效应对气候变化产生了重要的影响，原因之一就是大量有害的温室气体排放到大气中，包括CO2和CH4。相关文献报道称CH4的温室效应是等量CO2的21-24倍，且在过去的20年中CH4导致的温室效应大约是CO2的70倍。天然气发动机尾气中含有部分未燃的CH4，并且尾气温度一般不超过500℃，目前，尾气处理催化剂对降低废气中CH4的含量几乎无效。因此，实现低温条件下的CH4催化氧化反应对降低尾气中甲烷的含量具有重要的意义。甲烷的催化燃烧是一项有工业应用价值的技术，它能够促进低温条件下低浓度甲烷氧化反应的发生，而且最近几年得到了人们的广泛关注与研究。众所周知，相比于其它贵金属(Pt、Rh)，Pd不仅在高温下的挥发性最小而且低温催化活性也较高。相关研究表明，单一物质贵金属催化剂用于低浓度CH4催化燃烧时，Pd物种的活性最高，因此有关Pd基催化剂的研究较多。催化剂的性能不仅取决于负载的活性物质的种类还和载体材料的性质有关。在低温甲烷氧化过程中，氧化态PdO是主要的活性物种。此外，若载体材料具有良好的氧化还原性和较高的吸附能力，将有利于表面氧的吸附进而提高催化剂的活性。因此，寻找优良载体材料对提高Pd基催化剂的性能有重要的意义。在众多金属氧化物载体中，CeO2被认为是最重要的催化剂载体之一，由于其较强的吸附能力及特殊的氧化还原性能。特别地，CeO2具有较高的储存氧和释放氧的能力，它通过Ce4+-Ce3+对在氧化还原反应过程中吸收或释放氧气从而可被视为氧气缓冲器。在很多催化反应中CeO2均表现出了良好的性能，如：CO氧化反应，甲醛催化氧化反应，碳酸盐加氢反应，乙醇蒸汽重整实验及甲烷催化氧化反应。结晶度和暴露的晶面是形容氧化物载体形貌的两个主要参数。不同形貌的CeO2暴露的晶面不同，从而影响载体与负载金属之间的相互作用。CeO2暴露的晶面影响表面活性并且CeO2上活性晶面的浓度及氧空位的类型也影响催化剂的性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂及其制备方法以及应用，本专利技术提供的催化氧化低浓度甲烷的催化剂为一种Pd基八面体CeO2催化剂，该催化剂催化氧化低浓度甲烷的方法催化效率高，催化反应终产物为H2O和CO2属于环境友好型产物。本专利技术提供了一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，由八面体CeO2颗粒以及负载于所述八面体CeO2颗粒表面的Pd纳米颗粒构成。优选的，所述Pd纳米颗粒的粒径为0.5～3nm，所述八面体CeO2颗粒的粒径为65～80nm。优选的，所述Pd纳米颗粒与八面体CeO2颗粒的质量比为1:24～1:49。本专利技术还提供了一种上述催化剂的制备方法，包括以下步骤：A)采用水热合成法制备八面体CeO2颗粒；B)将钯源化合物、柠檬酸盐与所述八面体CeO2颗粒分散于水中，得到悬浊液；C)将还原剂滴加于所述悬浮液中，混合搅拌进行反应，得到悬浮物；D)将所述悬浮物干燥后煅烧，得到催化剂。优选的，所述钯源化合物选自水溶性的四氯钯酸盐；所述柠檬酸盐选自柠檬酸钠，所述还原剂选自NaBH4。优选的，步骤A)中，所述水热合成法的温度为170℃，所述水热合成法的时间为12小时；步骤C)中，所述混合搅拌进行反应的温度为20～30℃，时间为8～12小时；步骤D)中，所述干燥为真空干燥，所述干燥的温度为25～40℃，所述干燥的时间为8～10小时；步骤D)中，所述煅烧的升温速率为1～10℃/min，所述煅烧的温度为300℃～500℃，所述煅烧的时间为1～3小时。本专利技术还提供了一种催化氧化低浓度甲烷的方法，包括以下步骤：在催化剂存在的条件下，将低浓度甲烷进行催化氧化反应；所述催化剂选自如权利要求1～3任意一项所述的催化剂；所述低浓度甲烷的体积浓度为0.5％～2％。优选的，所述催化氧化反应的温度为250～450℃，所述催化氧化反应的升温速率为5～10℃/min，所述催化氧化反应的压力为101.3kpa。优选的，所述催化剂与低浓度甲烷的质量体积流量比为(1.5～2.5)mg：1mL/min。优选的，所述低浓度甲烷的体积流量为30～60mL/min；所述低浓度甲烷的气体空间时速优选为20000～40000mL/h·g。与现有技术相比，本专利技术提供了一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，由八面体CeO2颗粒以及负载于所述八面体CeO2颗粒表面的Pd纳米颗粒构成。本专利技术提供的催化氧化低浓度甲烷的催化剂为一种Pd基八面体CeO2催化剂，Pd纳米颗粒在载体八面体CeO2颗粒表面的分散度高，相对稳定性好，对于低浓度甲烷的催化氧化效率高，催化剂的相对热稳定性好，低浓度甲烷完全转化时所需的温度较低，并且催化反应产物为H2O和CO2是环境友好型产物，在低浓度甲烷催化氧化领域具有极大的应用价值。附图说明图1为贵金属Pd基八面体CeO2催化剂的TEM；图2为贵金属Pd基八面体CeO2催化剂的HRTEM图；图3为实施例1制备的贵金属Pd基八面体CeO2催化剂的元素分布图；图4为在不同温度条件下，实施例1制备的贵金属Pd基八面体CeO2催化剂催化氧化体积浓度为1％甲烷的转化率曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，由八面体CeO2颗粒以及负载于所述八面体CeO2颗粒表面的Pd纳米颗粒构成。在本专利技术中，所述八面体CeO2颗粒的粒径为60～85nm。所述八面体CeO2颗粒由水热合成法制备得到。具体方法为：将可溶性铈源化合物溶解于水中，进行加热反应，得到八面体CeO2颗粒。其中，所述可溶性铈源化合物选自Ce(NO3)3·6H2O，所述加热反应的温度170℃，所述加热反应的时间为12小时。为保证制备所得产物的形貌，加热温度以及时长必须为上述条件。所述进行水热合成法的装置优选为带聚四氟乙烯内衬的高压水热合成反应釜。加热反应结束后，将产物用蒸馏水和乙醇反复清洗，烘干，得到八面体CeO2颗粒。其中，所述烘干的温度优选为50～120℃，更优选为60～80℃，进一步优选为60℃。所述Pd纳米颗粒的粒径为0.5～3nm。所述Pd纳米颗粒与八面体CeO2颗粒的质量比为1:24～1:49，优选为1:30～1:40，进一步优选为1:34～1:38。本专利技术还提供了一种上述催化氧化低浓度甲烷的催化剂的制备方法，包括以下步骤：A)采用水热合成法制备八面体CeO2颗粒；B)将钯源化合物、柠檬酸盐与所述八面体CeO2颗粒分散于水中，得到悬浊液；C)将还原剂滴加与所述悬浮液中，混合搅拌进行反应，得到悬浮物；D)将所述悬浮物干燥后煅烧，得到催化剂。首先采用水热合成法制备八面体CeO2颗粒，具体制备方法如上文所述，在此不做赘述。得到八面体CeO2颗粒后，将钯源化合物、柠檬酸盐与所述八面体CeO2颗粒分散于水中，得到悬浊液。具体的，将钯源化合物溶解于水中，然后再加入柠檬酸盐溶解，得到混合溶液；其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，其特征在于，由八面体CeO2颗粒以及负载于所述八面体CeO2颗粒表面的Pd纳米颗粒构成。

【技术特征摘要】
1.一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，其特征在于，由八面体CeO2颗粒以及负载于所述八面体CeO2颗粒表面的Pd纳米颗粒构成。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述Pd纳米颗粒的粒径为0.5～3nm，所述八面体CeO2颗粒的粒径为60～85nm。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述Pd纳米颗粒与八面体CeO2颗粒的质量比为1:24～1:49。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)采用水热合成法制备八面体CeO2颗粒；B)将钯源化合物、柠檬酸盐与所述八面体CeO2颗粒分散于水中，得到悬浊液；C)将还原剂滴加于所述悬浮液中，混合搅拌进行反应，得到悬浮物；D)将所述悬浮物干燥后煅烧，得到催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钯源化合物选自水溶性的四氯钯酸盐；所述柠檬酸盐选自柠檬酸钠，所述还原剂选自NaBH4。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述水热合成法的温度为170℃，所述水热合成法的时间为12小时；步骤C)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文志，雷言言，林其钊，黄启福，关圣楠，杨涛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34