一种高温老化处理的钯基催化剂在甲烷燃烧中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种经过高温气氛老化预处理的、以纳米级商业化γ

【技术实现步骤摘要】
一种高温老化处理的钯基催化剂在甲烷燃烧中的应用


[0001]本专利技术属于工业应用领域，涉及一种催化剂的制备及其对甲烷催化燃烧活性的研究。具体涉及一种Al2O3载体负载纳米钯颗粒催化剂经高温气氛预处理的制备过程及其在贫燃条件下甲烷催化燃烧反应中的应用。

技术介绍

[0002]随着能源需求量的迅速增长与环境污染问题的日益严峻，寻求清洁能源以替代煤炭、石油等高污染化石能源已成为能源领域的主要发展方向。尽管风能、光伏、核电、氢能等已成为近年来广受关注的热点方向，但受制于能量供应不稳定、前期设备投资大、潜在安全风险高、制备成本及储运效率无法满足实际需求等现实困难，化石燃料在未来较长时期内仍将是能源供应的主体组成。在三大化石燃料：煤炭、石油、天然气中，天然气因其分布广泛、价格低廉、储运方式多、既可直接做燃料又可结合天然气工业深度利用且使用过程低污染、低排放等优势，已成为能源领域近几十年来的重点研究和应用对象。
[0003]作为天然气主要成分的甲烷，在天然气中的含量达到90％以上，其不仅可以通过发电、生火、驱动天然气车等交通工具直接为生产生活提供能量，还可以通过直接转化、氧化偶联、无氧脱氢、蒸气重整和干气重整等化工过程成为生产大宗化学品的重要C1原料。此外甲烷不仅存在于天然气中，随着近20年来“页岩革命”及“可燃冰”开采技术的推进，以及生物质制沼气技术的落地实用，甲烷作为重要能源与化工原料的使用范围及强度将继续扩大。然而随着使用量的迅速增加，通过各种渠道泄露进大气的甲烷因其23倍于CO2的温室效应潜力，已成为多个国家、地区排放法规的限制对象。在甲烷的排放处理选项中，催化燃烧被认为是最实际可行的处理手段。尽管催化燃烧产生的CO2仍是主要的温室气体，但随着自然生态环境的恢复及CO2捕集利用技术的发展，甲烷催化燃烧的应用前景仍然十分广阔。
[0004]自上世纪60年代起，Pd基催化剂被广泛认为是最有效的甲烷燃烧催化剂。当今普遍应用于天然气燃料汽车尾气处理过程的Pd基催化剂常以结合了具备较强储放氧能力且耐高温的铈锆固溶体的氧化铝为载体，加入贵金属Pt、Rh等提升Pd基催化剂在不同工况下的催化燃烧性能。然而发动机的实际工作环境决定了催化剂必须经历严苛的温度变化，通常温度变化范围为200
‑
1000℃；同时为了满足日益严苛的排放法律规定并提升发动机的热效率，催化剂必须在尽可能低的温度下实现甲烷催化燃烧；此外发动机尾气中常含有大量因燃烧产生的水以及来自天然气添加剂和发动机润滑油的少量SOx，催化剂必须能够承受高温条件下水和SOx造成的活性下降。随着研究的深入，越来越多的研究者通过先进的制备方法和功能材料可控地改变Pd活性中心的结构以及与载体的相互作用，以期实现催化剂更好的热稳定性、低温活性以及抗水、抗SOx中毒性能。
[0005]基于以上研究现状，寻求一种较为简单的方法制备一种高活性的甲烷燃烧催化剂并将其应用于甲烷催化燃烧反应具有重要的意义。本专利旨在专利技术一种含Pd的高活性甲烷燃烧催化剂。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是提供一种用于甲烷催化燃烧反应的钯基催化剂，这种催化剂对于甲烷催化燃烧反应具有高活性的特点。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供了一种制备本专利技术催化剂的高温气氛预处理方法，在不增加催化剂活性组分金属Pd含量的同时提高了催化剂活性。
[0008]本专利技术中钯基催化剂的制备方法，具体是按以下步骤实现的：
[0009]1、载体热处理：将具有高比表面的载体γ相Al2O3于静止空气中由室温加热至600
‑
900℃焙烧1
‑
5h，以保证后续制备过程中载体结构不发生变化。
[0010]2、贵金属钯的负载：将焙烧后的具有高比表面的载体γ相Al2O3浸渍于一定浓度的钯盐前驱体溶液中，钯盐含量依金属钯载量而定，催化剂中钯质量百分比为0.5
‑
2wt％；快速搅拌5
‑
30min，于室温空气中静置2
‑
24h后，置于30
‑
120℃烘箱中干燥2
‑
24h；将上述干燥后的固体充分研磨10
‑
30min后，于静止空气中350
‑
600℃焙烧1
‑
5h，缓慢降温至室温后即得未经高温气氛预处理的新鲜催化剂。
[0011]3、高温气氛预处理：将上述制备的新鲜催化剂于不同甲烷、氧气含量的气氛中老化处理，其中甲烷体积百分比为0.1
‑
4％，氧气体积百分比为0.1
‑
20％，其余为惰性气体He、Ar或N2，老化温度为500
‑
850℃，老化时间为0.5
‑
12h。
[0012]甲烷催化燃烧反应条件为：原料气体积配比：甲烷体积百分比0.2
‑
2％，氧气体积百分比0.5
‑
5％，水气体积百分比0
‑
15％，二氧化碳体积百分比0
‑
5％，其余为惰性气体He、Ar或N2；反应温度150
‑
850℃，甲烷转化率0
‑
100％，反应气体总压0.1
‑
0.2MPa。
[0013]本专利技术中提供的催化剂制备条件温和，工艺简单，适合较大规模生产。
[0014]本专利技术中提供的催化剂高温老化气氛预处理工艺简单，与现有工业催化剂预处理设备兼容性好，适合大规模催化剂制备过程。
[0015]本专利技术中所得Pd/Al2O3催化剂相比未经高温气氛老化的催化剂，在同等反应温度下具有明显更高的催化甲烷燃烧活性。其中，金属Pd的相关物种是反应的活性中心；Al2O3起到良好的活性中心分散作用，提升反应活性。本专利技术中催化剂的制备方法流程简单、原料易得、适合较大规模催化剂生产且可在现有催化剂制备过程基础上提升催化剂活性。
[0016]下面通过具体实施例对本专利技术进行详细描述。应当指出，这些实施例仅为示例，对本专利技术的实质与范围不构成任何限制。只要符合本
技术实现思路
部分阐述条件的都可以实现本专利技术。因此，本专利技术的保护范围以申请的权利要求为准。
附图说明
[0017]图1为实施例2和对比例4在200
‑
500℃温度范围内催化甲烷燃烧性能。
[0018]图2为实施例1纳米Al2O3载体的透射电镜照片。
[0019]图3为对比例1薄片Al2O3载体的透射电镜照片。
[0020]图4为对比例2针状Al2O3载体的扫描电镜照片。
[0021]图5为对比例3块体Al2O3载体的扫描电镜照片。
[0022]图6为实施例2和对比例5
‑
7在200
‑
500℃温度范围内催化甲烷燃烧性能。
[0023]图7为实施例1
‑
3，对比例8
‑
9的XRD衍射谱图。
[0024]图8为实施例2
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温老化处理的钯基催化剂在甲烷燃烧中的应用，其特征在于：所采用的钯基催化剂是以金属钯及氧化钯为活性组分的负载型催化剂，载体为纳米级γ
‑
Al2O3材料；以钯计，催化剂中钯和氧化钯的总质量百分含量为0.5～5wt％(优选0.8～2wt％)；载体组成为纯γ相Al2O3，载体形状为纳米棒状，长20
‑
200nm，直径5
‑
25nm；金属Pd和氧化物PdO以纳米颗粒的形式均匀分散于载体Al2O3纳米棒之间，贵金属Pd和氧化物PdO的颗粒尺寸为2
‑
100nm，其中金属Pd以粒径2
‑
6nm的小颗粒形式覆盖于粒径10
‑
100nm的PdO颗粒表面，PdO颗粒有20
‑
60％的外表面被金属Pd覆盖，金属Pd和氧化物PdO的质量比为1.5：1～2.5：1；Pd基催化剂的制备方法：将载体γ
‑
Al2O3直接浸渍于含有活性组分金属钯前驱体Pd(NO3)2的溶液中，浸渍后，于30
‑
150℃干燥2
‑
24h，于400
‑
600℃(优选500
‑
550℃)空气焙烧2
‑
12h得到未经高温老化气氛预处理的催化剂；催化剂的高温老化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓艳，谈源龙，赵晗，王爱琴，张涛，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：