用于静电场协同去除甲烷的钯铈锆复合金属氧化物催化剂制造技术

一种用于静电场协同去除甲烷的钯铈锆复合金属氧化物催化剂，以氧化钯(PdO)、氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)作为主活性组分，该催化剂中钯元素占总质量的1％，其余为铈锆基载体。本发明专利技术针对各种金属氧化物催化活性和选择性的不同温度特性以及与静电场协同耦合的协同效应，本发明专利技术具有能实现在反应温度为200～500℃内针对0.2％的低浓度甲烷有着较高的催化氧化效率，并且与静电场协同耦合后，甲烷催化氧化的起燃温度能实现显著降低，去除甲烷的效率能实现显著的提升。

Pd-Ce-Zr Composite Metal Oxide Catalyst for Synergistic Removal of Methane by Electrostatic Field

A palladium-cerium-zirconium complex metal oxide catalyst for methane removal by electrostatic field was developed. PdO, CeO 2 and ZrO 2 were used as the main active components. The palladium element in the catalyst accounted for 1% of the total mass, and the rest were cerium-zirconium based supports. Aiming at the different temperature characteristics of catalytic activity and selectivity of various metal oxides and the synergistic effect of synergistic coupling with electrostatic field, the invention has the ability to achieve high catalytic oxidation efficiency for 0.2% low concentration methane at the reaction temperature of 200-500 C, and the ignition temperature of catalytic oxidation of methane can be significantly reduced after synergistic coupling with electrostatic field. The efficiency of methane removal can be significantly improved.

【技术实现步骤摘要】
用于静电场协同去除甲烷的钯铈锆复合金属氧化物催化剂
本专利技术涉及的是一种环境保护领域的技术，具体是一种用于静电场协同去除甲烷的钯铈锆复合金属氧化物催化剂。
技术介绍
天然气主要的化学成分为甲烷，有着很高的氢碳比，产生的温室气体CO2量也相对较少，因此天然气是一种比较理想的燃料。天然气汽车相比于相同排量的传统柴油车和汽油车，排放的HC量降低了62％、CO量降低了99％、NOx量降低了39％、CO2量降低了24％、SO2量降低了90％，噪声降低40％。但天然气汽车尾气中排放的甲烷量是汽油车的十倍左右，浓度大约为几千ppm，属于低浓度甲烷，去除比较困难。另外，煤层气(俗称瓦斯)是一种非常规天然气，其成分与天然气相差无几，在实际应用中可以作为与常规天然气一样的能源使用。在煤矿的通风中，含有低浓度的甲烷(0.3％～0.5％左右)，但煤矿通风气排量巨大，因此甲烷总排放量很大。甲烷是一种很强的温室气体，其温室效应要比CO2强21倍,在大气中一般可以停留10年之久。控制煤矿、天然气发动机等的低浓度甲烷排放是全球面临的重要课题。低浓度甲烷因达不到可燃条件，很难直接用燃烧方法去除。催化氧化被认为是去除低浓度甲烷的有效办法，也是目前国内外研究的热点。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术对低浓度稀薄甲烷去除困难、低温段，起燃温度较高的问题，提出一种用于静电场协同去除甲烷的钯铈锆复合金属氧化物催化剂，针对各种金属氧化物催化活性和选择性的不同温度特性以及与静电场协同耦合的协同效应，本专利技术具有能实现在反应温度为200～500℃内针对0.2％的低浓度甲烷有着较高的催化氧化效率，并且与静电场协同耦合后，甲烷催化氧化的起燃温度能实现显著降低，去除甲烷的效率能实现显著的提升。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种钯铈锆复合金属氧化物催化剂，原料中以氧化钯(PdO)、氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)作为主活性组分，成品催化剂中钯元素占总质量的1％，其余为铈锆基载体。所述的钯铈锆复合金属氧化物催化剂的比表面积在70～100m2/g。所述的钯铈锆复合金属氧化物催化剂的电阻为150～350kΩ。本专利技术涉及上述钯铈锆复合金属氧化物催化剂的制备方法，采用自蔓延高温燃烧合成法(Self～PropagatingHigh～TemperatureSynthesis，SHS)合成，具体为：将硝酸铈溶液和硝酸锆溶液充分混合后依次加入醋酸钯的甲苯溶液以及甘氨酸，经进一步搅拌混合后煅烧得到钯铈锆多元复合金属氧化物催化剂。所述的铈元素与锆元素的摩尔比为(1～3)：(3～1)。所述的甘氨酸，以中和铈锆基前驱液中的硝酸根来确定，具体为：每克前驱液中含有a摩尔的硝酸根，则每克前驱液所需甘氨酸质量b为所述的煅烧是指：在400℃环境下煅烧4～5h，将煅烧产物冷却后研磨、压片。所述的研磨，以粒径范围为：40～80目为准。所述的醋酸钯的甲苯溶液中醋酸钯的浓度为0.16～0.33g/mL。本专利技术涉及上述钯铈锆复合金属氧化物催化剂的应用，将其与静电场协同耦合催化氧化甲烷气体，具体为：将粉状形态的上述催化剂置于迴转式管式电阻炉中，在225～475℃的环境下施加3mA恒流直流电流的静电场，从而实现2000ppm以下浓度的甲烷的去除。技术效果与现有技术相比，本专利技术利用了静电场与固体催化剂之间的协同功效：相对于单纯的静电场法，可以依靠催化作用吸附气体实现较长的停留时间和化学反应定向控制，提高甲烷去除效率；另一方面，可以利用静电场激活催化反应，降低反应温度。静电场可通过如下途径激活催化反应：第一，静电场中的电子使反应物分子获得能量，有利于其在催化剂活性中心上进行化学吸附，延长停留时间；第二，各种活性粒子直接作用于催化剂的活性中心，参与催化反应；第三，在静电场中的高能电子的作用下，有利于反应产物从催化剂表面脱附。本专利技术的技术效果进一步包括：1、本专利技术的钯铈锆复合金属氧化物催化剂能实现对较低浓度稀薄甲烷气体的有效去除，对于甲烷体积浓度仅为0.2％(2000ppm)的气体，也有较高的去除效率。2、本专利技术的催化剂不仅在较低的反应温度窗口(200～500℃)具有较高的活性和稳定性，且具有较好的选择性，反应后C均转化为CO2，几乎没有CO生成；3、本专利技术的催化剂在去除甲烷方面与静电场的协同效应显著，在3mA的恒流直流静电场的作用下，在低温段每个温度点甲烷的去除效率都至少可提高20％，最高的可提高35％，起燃温度都至少可降低了80℃，最高的可降低100℃；4、本专利技术的催化剂选用的组分除了少量的贵金属钯，其他的为普通金属钒、铈的氧化物，制备原料低廉易得，催化剂制备工艺简单，无毒无害无污染，操作方便。附图说明图1为实施例中用于评价催化剂去除甲烷效率性能装置结构示意图。图中：1CH4/N2稀释气体、2O2/N2稀释气体、3高纯N2、4手动球阀、5质量流量控制器、6气体混合室、7粉末状钯铈锆复合金属氧化物催化剂、8石英管反应器、9迴转式管式电阻炉、10温度显示控制器、11真空泵、12傅里叶变换红外光谱仪。具体实施方式实施例1本实施例包括以下步骤：步骤1)金属氧化物主活性成分负载量的确定根据成品催化剂中钯元素占总质量1％，其余为铈锆基载体的比例，按照Ce:Zr＝1:3的摩尔比计算出前驱液中的质量比例为Ce(NO3)3·6H2O:Zr(NO3)4·5H2O:Pd(CH3COO)2:甘氨酸＝1:2.966:0.019:1.44，由此可得催化剂负载药品的用量分别为：硝酸铈10g，硝酸锆29.66g，乙酸钯0.19g，甘氨酸14.4g。步骤2)PdO、CeO2、ZrO2主活性成分的负载按照步骤1)计算出的质量称取所需的硝酸铈和硝酸锆，按照每20g硝酸铈和硝酸锆的总质量溶于15～20mL去离子水的比例与去离子水混合，在磁力搅拌机上搅拌至完全溶解，同时按照步骤1)计算出的质量称取所需的醋酸钯，按照每1g醋酸钯溶于3～6mL甲苯的比例与甲苯混合，在磁力搅拌机上搅拌至完全溶解，紧接着将完全溶解的硝酸铈和硝酸锆前驱液与完全溶解的醋酸钯混合，同时加入甘氨酸，搅拌至混合均匀。然后将混合后的前驱液倒入坩埚，放入马弗炉中400℃下煅烧4～5h，将煅烧产物冷却后研磨、压片，制成钯铈锆多元复合金属氧化物催化剂。将实施例1中制得的催化剂称为催化剂A。步骤3)催化剂性能评价用图1所示的去除甲烷性能评价装置评价催化剂A在甲烷催化氧化反应中的催化性能。评价实验中，含有甲烷的气体空速为30000h～1，其中甲烷所占体积浓度为0.2％(2000ppm)，氧气所占体积浓度为1％，其余为配气氮气，反应温度为200～500℃。CH4、CO和CO2均用傅里叶变换红外光谱仪及其气体池附件测定。测试时，分别在不施加静电场情况和施加以3mA恒流直流电流静电场(图中未示出)的情况下测试不同反应温度下(100～550℃)催化剂催化氧化甲烷的效率。实验结果见表1。实施例2步骤1)金属氧化物主活性成分负载量的确定根据成品催化剂中钯元素占总质量1％，其余为铈锆基载体的比例，按照Ce:Zr＝1:1的摩尔比计算出前驱液中的质量比例为Ce(NO3)3·6H2O:Zr(NO3)4·5H2O:Pd(CH3COO)2:甘氨酸＝1:0.989:0.022:1.344，由此可得催本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钯铈锆复合金属氧化物催化剂，其特征在于，原料中以氧化钯、氧化铈、氧化锆作为主活性组分，催化剂中钯元素占总质量的1％，其余为铈锆基载体。

【技术特征摘要】
1.一种钯铈锆复合金属氧化物催化剂，其特征在于，原料中以氧化钯、氧化铈、氧化锆作为主活性组分，催化剂中钯元素占总质量的1％，其余为铈锆基载体。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是，所述的钯铈锆复合金属氧化物催化剂的比表面积在70～100m2/g；电阻为150～350kΩ。3.根据权利要求1或2所述钯铈锆复合金属氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，采用自蔓延高温燃烧合成法合成，具体为：将硝酸铈溶液和硝酸锆溶液充分混合后依次加入醋酸钯的甲苯溶液以及甘氨酸，经进一步搅拌混合后煅烧得到钯铈锆多元复合金属氧化物催化剂；所述的铈元素与锆元素的摩尔比为(1～3)：(3～1)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的甘氨酸，以中和铈锆基前驱液中的硝酸根来确定，具体为：每...

【专利技术属性】
技术研发人员：林赫，李珂，刘柯，管斌，湛日景，李熙春，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31