一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以Nb2O5为载体，Pt为活性组分，W为助剂，Pt的负载量为占载体质量的0.5

【技术实现步骤摘要】
一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于大气污染控制领域，具体涉及一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]煤化工，石油精制等化工行业生成过程中的废气排放和大量以液化石油气，液化天然气作为燃料机动车尾气排放，导致甲烷，丙烷和丁烷等低碳烷烃的排放量日益增长。这些低碳烷烃是近地面臭氧形成的主要前驱物，对人类健康和自然环境造成严重威胁，因此如何控制和消除低碳烷烃排放也成为环境领域研究的热点之一。催化燃烧方法具有净化效率高，处理废气浓度宽，无二次污染，经济成本较低等优点，是控制和消除低碳烷烃排放的最有效方法之一，其核心是设计和制备高性能的催化剂。
[0003]丙烷是一种典型的低碳烷烃，由于其化学性质较为惰性和强C
‑
H键，相比较于芳香烃，醛，酸，氯代化合物等污染，丙烷分子更加难以催化消除。目前用于丙烷催化燃烧的高性能催化剂主要可以分为Pt，Pd和Ru负载型贵金属催化剂和Co 基和Mn基过渡金属及其复合氧化物催化剂。中国专利(CN113786835A， CN113070071A)公开的Co3O4基催化剂表现出了较为优异的丙烷氧化活性，且成本较低，但该催化剂制备工艺繁琐，能耗高，且会产生大量的废水等污染物，更重要的是Co3O4活性组分高温易烧结和在水汽条件下极易失活，不可避免的导致催化活性下降。中国专利CN112958086A公开的三明治Zr/Pt
‑
Pd/Mg
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Al2O3催化剂，具有较好的水热稳定性，但由于Pt
‑
Pd活性位点部分被ZrO2保护层覆盖导致催化剂丙烷催化氧化活性较差。除此之外，文献(J.Phys.Chem.C 2021,125,19301)报道了一种用于丙烷催化燃烧的Pt/Nb2O5催化剂，但该催化剂的丙烷全转化温度高达370℃，远不能满足实际的尾气排放需求。中国专利CN109675556A公开了一种利用水热和沉积沉淀法制备的CeO2纳米棒负载Ru催化剂，Ru/CeO2表现出了优异的丙烷燃烧活性，丙烷全转化温度可低至190℃。但该催化剂制备过程涉及了大量的废碱液排放，且水热合成，高温氢气还原等生产工艺具有一定的安全风险。更主要的是由于活性组分RuO
x
物种是通过高温还原构建，其高温稳定性有待考证。因此，亟需开发一种满足实际工业源丙烷尾气排放消除的高性能催化剂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂及其制备方法和应用。该催化剂具有高活性、高稳定性，抗水和 CO2能力强等优点，且制备工艺简单，环保安全，重现性好。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂，该催化剂以Nb2O5为载体，Pt为活性组分，W为助剂，Pt的负载量为占载体质量的0.5
‑
2％，W的负载量为占载体质量的1％～15％。
[0006]进一步地，所述载体Nb2O5采用溶胶凝胶法制备，具体包括如下步骤：将Nb 源和柠檬酸按比例分别溶于去离子水中，待两者充分溶解后，于60
‑
100℃水浴加热搅拌直至开始
出现粘稠状凝胶，然后置于80
‑
140℃烘箱中干燥24
‑
48h，最后在 700℃空气中焙烧4h，升温速率为4℃/min。
[0007]进一步地，所述Nb源包括草酸铌铵、草酸铌和五氯化铌，优选草酸铌铵。
[0008]进一步地，所述Nb源和柠檬酸的用量摩尔比为2:1、1:1或1:2，优选1:2。
[0009]进一步地，所述Pt的负载量为占载体质量的1％，W的负载量为占载体质量的5％。
[0010]一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂的制备方法，包括以下步骤：将研磨后 Nb2O5载体真空加热预处理，配置Pt浸渍液和W浸渍液，将浸渍液和载体充分搅拌，混合均匀，并室温超声分散10
‑
20min，然后室温静置12
‑
24h，随后置于60
‑
100℃烘箱干燥12
‑
48h，最后流动空气气氛下500℃焙烧4h，升温速率4℃/min，产物标记为Pt
‑
xW/Nb2O5。
[0011]进一步地，所述Pt浸渍液的配置是将Pt的可溶盐溶于去离子中配制成0.01
‑
0.1 g/ml的Pt浸渍液；
[0012]进一步地，W浸渍液的配置是将W的可溶盐溶于去离子中配制成0.01
‑
0.1g/ml 的W浸渍液。
[0013]进一步地，活性组分和助剂采用等体积共浸渍进行负载。
[0014]上述铂催化剂的应用，将所述催化剂用于低碳烷烃废气治理中，包括丙烷催化燃烧，低温活性高，反应过程中没有副产物生成，且在200℃连续反应60h，催化剂活性保持不变，同时该催化剂具有优异的抗H2O和CO2能力，循环反应稳定性和热稳定性。因此，Pt
‑
xW/Nb2O5催化剂在工业源丙烷等低碳烷烃废气治理中有着良好的应用前景。
[0015]所述的丙烷催化燃烧的反应条件为：0.2vol.％C3H8,2vol.％O2/Ar or 5vol.％ H2O，质量空速：80000mL
·
h
·
‑1g
cat
‑1。
[0016]与现有工艺技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0017](1)本专利技术Pt
‑
W/Nb2O5催化剂在250℃即可实现完全氧化(反应条件:0.2 vol.％C3H8,2vol.％O2/Ar，质量空速：80000mL
·
h
·
‑1g
cat
‑1)，即使在各种严苛的实际工况模拟(高水汽和CO2含量，长时间反应稳定性和多次循环套用等)，该催化剂均表现出了优异的催化活性。进一步的研究发现，Pt
‑
5W/Nb2O5催化剂的优异丙烷氧化性能归因于WO
x
掺杂增强了Nb2O5的氧化还原性，同时有利于金属态Pt 物种在载体表面的形成和稳定，这极大地促进了作为丙烷氧化反应中决速步骤C
‑
H 键的解离。除此之外，强酸性氧化物WO
x
物种，也促进了丙烷的吸附和活化。此外，解离后的碳氢碎片离子在催化剂表面丰富的活性氧物种的进攻下氧化脱氢转变为丙烯，丙烯酸，碳酸盐等含氧物种，最终被深度氧化成CO2和H2O，该降解路径是更有效的丙烷氧化路径。
[0018](2)本专利技术Pt
‑
xW/Nb2O5催化剂用于丙烷催化燃烧反应，当W的负载量为5％时，Pt
‑
5W/Nb2O5催化剂表现出了最佳的丙烷氧化活性，在250℃温度下即可将丙烷完全催化氧化成H2O和CO2，无其他副产物生成(反应条件:0.2vol.％C3H8,2vol.％ O2/Ar本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于丙烷催化燃烧的铂催化剂，其特征在于，该催化剂以Nb2O5为载体，Pt为活性组分，W为助剂，Pt的负载量为占载体质量的0.5
‑
2％，W的负载量为占载体质量的1％～15％。2.根据权利要求1所述的用于丙烷催化燃烧的铂催化剂，其特征在于，所述载体Nb2O5采用溶胶凝胶法制备，具体包括如下步骤：将Nb源和柠檬酸按比例分别溶于去离子水中，待两者充分溶解后，于60
‑
100℃水浴加热搅拌直至开始出现粘稠状凝胶，然后置于80
‑
140℃烘箱中干燥24
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48h，最后在700℃空气中焙烧4～6h，升温速率为4℃/min。3.根据权利要求2所述的用于丙烷催化燃烧的铂催化剂，其特征在于，所述Nb源包括草酸铌铵、草酸铌和五氯化铌中的一种，优选草酸铌铵。4.根据权利要求2所述的用于丙烷催化燃烧的铂催化剂，其特征在于，所述Nb源和柠檬酸的用量摩尔比为2:1、1:1或1:2，优选1:2。5.根据权利要求1所述的用于丙烷催化燃烧的铂催化剂，其特征在于，所述Pt的负载量为占载体质量的1％，W的负载量为占载体质量的5％。6.一种如权利要求1所述的用于丙烷催化燃烧的铂催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将研磨后Nb2O5载体真空加热预处理，配置Pt浸渍液和W浸渍液，将浸渍液和载体充分搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹望成，黄振鹏，宋珮瑶，鲁文灵，马俞昂，熊悦晗，郭杨龙，郭耘，王丽，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：