一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法及催化剂技术

本发明专利技术公开了一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法及催化剂，该方法的原料包括硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆，利用柠檬酸溶液将所述原料形成柠檬酸配合物，通过溶胶‑凝胶法制备得到用于催化碳颗粒燃烧的催化剂。具体包括以下步骤：步骤一，硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈、硝酸锆、柠檬酸、蒸馏水混合的混合溶液；步骤二，将混合溶液恒温搅拌至凝胶状；步骤三，将步骤二得到的产物干燥后研磨成粉末，该粉末为前驱体粉末；步骤四，将前驱体粉末按照升温速率2℃/min，升至600℃后保温6小时，得催化剂。本发明专利技术的催化剂可以大幅降低碳颗粒的起燃温度、最大燃烧温度，同时明显降低起燃温度与最大燃烧温度之间的温度差。

Preparation and Catalyst for Catalytic Carbon Particle Combustion

【技术实现步骤摘要】
一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法及催化剂
本专利技术涉及一种无机催化剂的制备方法，具体涉及一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法及催化剂。
技术介绍
由于使用化石燃料，内燃机排放了大量的污染物，带来了一系列大气污染问题，而机动车尾气排放的环境污染问题将日益严峻，如何减少汽车尾气污染物排放成了我国急需解决的问题。根据机动车国V排放标准要求，颗粒物(PM)排放值限制为0.0045g/km。柴油机主要排放污染物中的颗粒物是汽油机排放的30～70倍，在汽车排放污染物中，柴油机占99％的PM排放量，一般情况下，柴油机排放的颗粒物粒径大多小于0.3μm，PM2.5可以穿过肺泡，进入人体血液循环系统，增加人体患心血管疾病，癌症等疾病的风险。如何控制柴油机PM排放成了柴油机技术发展的重点和难点，随着排放法规的提高，进一步改进柴油机机内技术从而降低排放的潜力已经十分有限，只有结合柴油机尾气后处理，才能使柴油机尾气排放满足排放标准的要求。减少尾气碳烟颗粒排放可以通过碳颗粒燃烧使碳颗粒尽可能完全氧化，在反应过程中催化剂的作用很重要，现有碳烟催化燃烧的催化剂大体上可以分为：贵金属催化剂、碱金属或碱土金属催化剂、复合型催化剂以及金属氧化物催化剂等。贵金属催化剂目前研究较多的贵金属有Pt、Rh、Pd等，由于贵金属价格昂贵而限制了它的应用，寻找高性能催化剂、降低碳颗粒的燃烧温度是消除柴油机排气中碳颗粒的研究重点和突破点。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术提供了一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法及催化剂，克服现有柴油机尾气中碳烟颗粒污染物难以有效去除的缺陷。为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法，该方法的原料包括硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆，利用柠檬酸溶液将所述原料形成柠檬酸配合物，通过溶胶-凝胶法制备得到用于催化碳颗粒燃烧的催化剂。本专利技术还包括如下技术特征：可选地，该方法包括以下步骤：步骤一，将硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈、硝酸锆、柠檬酸和蒸馏水混合得到混合溶液；步骤二，将步骤一得到的混合溶液置于恒温搅拌器搅拌至凝胶状；步骤三，将步骤二得到的产物干燥后，再研磨成粉末，该粉末为前驱体粉末；步骤四，将前驱体粉末按照升温速率2℃/min，升至600℃后保温6小时，得催化剂。可选地，所述硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆的摩尔比为：0.2:0.2:0.2:0.2、0.2:0.4:0.4:0.4、0.4:0.8:0.2:0.1、0.1:0.1:0.8:0.2或0.1:0.2:0.4:0.1；所述柠檬酸添加的物质的量为硝酸钾的物质的量、2倍硝酸钴的物质的量、3倍硝酸铈的物质的量和4倍硝酸锆的物质的量的总和。可选地，所述硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆的摩尔比为：0.8:0.2:0.4:0.1。可选地，所述步骤二中的搅拌温度为60～90℃。可选地，所述步骤二中的搅拌温度为85℃。可选地，所述步骤三中的干燥温度为100～175℃。可选地，所述步骤三中的干燥温度为110℃。本专利技术还提供了一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂，该催化剂采用所述的制备方法制备得到。本专利技术与现有技术相比，有益的技术效果是：本专利技术的催化剂是一种全新的催化剂，利用硝酸盐在柠檬酸溶液中形成柠檬酸配合物的原理，通过添加不同比例的四种硝酸盐，在溶液中形成均一稳定的溶胶-凝胶，干燥后形成的催化剂前驱体在一定温度(600℃)下焙烧后柠檬酸和硝酸根分解形成复合氧化物。所得的催化剂在催化碳颗粒燃烧具有良好的应用价值，用于汽、柴油车尾气处理时与尾气中的NOX等成分有良好的协同效果。目前，国内外尚没有利用此四种原料使用溶胶-凝胶法制备催化剂用于汽、柴油车尾气处理的研究报道。在进行溶胶-凝胶法制备催化剂的过程中，发现掺杂有碱金属的类钙钛矿型催化剂并混有金属氧化物的催化剂对降低碳颗粒起燃温度，催化碳颗粒燃烧具有优良的性能，碱金属(Na，K，Cs)和碱土金属(Ca，Ba，Mg)氧化物催化剂对碳烟氧化活性的影响。研究结果表明，在碳烟和催化剂紧密接触条件下，无论是添加碱金属氧化物还是碱土金属氧化物，碳烟氧化的活性均有所提高，且Cs的添加表现出最佳的活性，而Mg的添加表现出最差的活性。很显然，碳烟氧化活性与被添加的金属离子的电正性有很大的关系，这与元素给电子能力一致。综合原料的所能提供的活性和原料价格，故选用K作为原料；由于二氧化铈具有很好的储氧能力，搭配锆作为掺杂剂通常表现出稳定的化合价，为催化剂提供稳定的活性；而四氧化三钴对CO、NOX等具有良好的催化活性。这几种原料的搭配，用于汽车尾气的处理，具有很强的针对性。催化剂在空气气氛或有氧气氛下，会在其表面和晶格捕获氧活性物质，在与碳颗粒物接触后，氧活性物质会与碳颗粒物发生反应，生成CO2气体。本发现在国际上属于首次，国内外上没有相关的报道，具有重大的应用价值。本催化剂的性能优于已见报道及市场上现有的大部分催化剂；工艺过程简单，成本低廉，易于工业化推广。通过实验测试，本催化剂可以大幅降低碳颗粒的起燃温度、最大燃烧温度，同时明显降低起燃温度与最大燃烧温度之间的温度差。附图说明图1为实施例7得到的催化剂的XRD图。图2为实施例1-实施例6得到的催化剂的TG图谱。图3为实施例7-实施例12得到的催化剂的TG图谱。图4为实施例13-实施例18得到的催化剂的TG图谱。图5为实施例19-实施例23得到的催化剂的TG图谱以及为对比例6炭黑颗粒的TG图谱。图6为对比例1-对比例5及实施例12的热重图谱。图7为实施例5得到的催化剂在不同氧浓度下的催化性能测试结果。图8为实施例5经过五次重复性实验测定稳定性得出的图谱。图9为实施例5-7、实施例10、实施例12及实施例15在10％氧浓度下的催化性能图。具体实施方式本专利技术制备的催化剂为掺杂有碱金属的类钙钛矿型催化剂并混有金属氧化物。该催化剂对降低碳颗粒起燃温度，催化碳颗粒燃烧具有优良的性能，催化剂在空气气氛或有氧气氛下，会在其表面和晶格捕获氧活性物质，在与碳颗粒物接触后，氧活性物质会与碳颗粒物发生反应，生成CO2气体。这种催化剂可应用于高排放碳颗粒的化工、环境等众多领域，主要适用于汽、柴油车的尾气处理。具体可通过下述步骤进行：一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法，该方法的原料包括硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆，并通过溶胶-凝胶法制备得到用于催化碳颗粒燃烧的催化剂。该方法包括以下步骤：步骤一，称取硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆，然后加入柠檬酸和蒸馏水，配制成混合溶液；步骤二，将步骤一得到的混合溶液置于恒温搅拌器搅拌至凝胶状；步骤三，将步骤二得到的产物转至烘箱中干燥，干燥后取出，再研磨成粉末，该粉末为前驱体粉末；步骤四，将前驱体粉末放于马弗炉中，马弗炉的升温速率为2℃/min，升至600℃后保温6小时，得催化剂。其中，硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆的摩尔比为：0.2:0.2:0.2:0.2、0.2:0.4:0.4:0.4、0.4:0.8:0.2:0.1、0.2:0.8:0.8:0.8、0.1:0.1:0.8:0.2、0.1:0.2:0.4:0.1或0.2:0.8:0.8:0.1；柠檬酸添加的物质的量为硝酸钾的物质的量、2倍硝酸钴的物质的量、3倍硝酸铈的物质的量和4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法，其特征在于，该方法的原料包括硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆，并利用柠檬酸溶液使所述原料形成柠檬酸配合物，通过溶胶‑凝胶法制备得到用于催化碳颗粒燃烧的催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法，其特征在于，该方法的原料包括硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆，并利用柠檬酸溶液使所述原料形成柠檬酸配合物，通过溶胶-凝胶法制备得到用于催化碳颗粒燃烧的催化剂。2.如权利要求1所述用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，将硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈、硝酸锆、柠檬酸和蒸馏水混合得混合溶液；步骤二，将步骤一得到的混合溶液置于恒温搅拌器搅拌至凝胶状；步骤三，将步骤二得到的产物干燥后，再研磨成粉末，该粉末为前驱体粉末；步骤四，将前驱体粉末按照升温速率2℃/min，升至600℃后保温6小时，得催化剂。3.如权利要求2所述用于催化碳颗粒燃烧的催化剂的制备方法，其特征在于，所述硝酸钾、硝酸钴、硝酸铈和硝酸锆的摩尔比为：0.2:0.2:0.2:0.2、0.2:0.4:0.4:0.4、0.4:0.8:0.2:0.1、0.2:0.8:0.8:0.8、0.1:0.1:0.8:0.2、0.1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾超前，王伟，王雅笛，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61