一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于催化领域。本发明专利技术提供了一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂及其制备方法与应用，所述含镍氧化催化剂包括氧化物载体以及负载于所述载体上的催化活性组分；所述氧化物载体包括镍铝复合氧化物，在所述镍铝复合氧化物中，以铝氧化物的质量为100wt％计算，元素镍的质量为1～20wt％。本发明专利技术所得含镍氧化催化剂的起燃温度低、且具有优异的抗水性能，十分适用于天然气机动车尾气处理；所述制备方法简单，有利于工业放大生产，贵金属量负载较低，有利于降低成本，易于应用。易于应用。易于应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于催化领域，涉及一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着全球石油资源的日益短缺和油价的上涨，使用天然气作为能源的天然气机动车凭借着气源丰富、价格低廉、环境污染小、兼容性高等优势，在近20年的全球乘用车和商用车市场中发展迅猛，成为替代传统燃油车的主力车型。
[0003]天然气中的主要成分为甲烷，甲烷也是一种较强的温室气体，其百年尺度全球变暖潜能值大约为CO2的28
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34倍。
[0004]因此，甲烷的完全氧化对于减少天然气机动车发动机排气中未燃烧的甲烷至关重要。目前，我国重型天然气看机动车多采用“当量燃烧+三效催化剂(TWC)”的处理方案。但是该技术路线会牺牲部分燃油经济性，对发动机产生很高的热负荷，且高含水量对催化剂的稳定性要求更高。
[0005]甲烷是具有正四面体的非极性分子，需要在很高温度下才能使其氧化，但温度越高越易产生燃烧副产物，从而造成污染。相比火焰燃烧，CH4催化燃烧更易操作且安全性好，其中，催化甲烷稀薄燃烧是近年来被广泛研究的另一种技术路线，能满足各种低浓度(0.1％～1％)甲烷环境中的处理要求，在天然气机动车中应用时，有利于降低发动机温度，且通过配备不同的氧化催化剂能够去除尾气中的一氧化碳、甲烷和非甲烷碳氢等污染物。
[0006]催化CH4燃烧的催化剂主要包括贵金属催化剂(Pd、Rh、Pt等)和非贵金属催化剂。非贵金属催化剂尽管成本较低，但催化活性还较难满足工业应用的需求。在贵金属催化剂中，Pd基催化剂对CH4催化燃烧具有较高催化活性，受到广泛关注。
[0007]然而，Pd基催化剂在高温高湿环境中易团聚和失活。为提高Pd基催化剂的稳定性，研究者们通过多种方式来开发和改善新型催化剂：
[0008]如Cargnello等(Science,337(2012)713
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717.)考察了CeO2添加对催化氧化甲烷性能的调变作用；发现CeO2优异的储氧性能有利于Pd以PdO存在，以核壳结构改性的Pd@CeO2/Al2O3催化剂在750℃下呈现出优异的催化氧化甲烷活性和稳定性。
[0009]CN108325525A公开了一种催化氧化低浓度甲烷的催化剂，该催化剂由八面体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，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。
[0010]CN103191733A公开了一种低浓度甲烷燃烧催化剂，该催化剂以Al2O3作为载体，以贵金属Pd作为主要催化活性组分，以贵金属Pt、Rh、Ru、Ir中的一种或几种以及金属氧化物CeO2，ZrO2，La2O3，TiO2中的一种或几种作为催化助剂。上述催化剂可以以颗粒催化剂的形式应用，也可以将氧化铝和全部催化活性组分以及助剂担载在蜂窝陶瓷上制成整体催化剂，该催化剂可应用于煤矿瓦斯(矿井乏风)中低浓甲烷的高效利用。
[0011]目前，CH4燃烧催化剂制备过程较为复杂，高温易团聚和抗水性能差等缺点仍然是开发甲烷催化剂的核心及研究重难点，因此如何能更简单地制备出低起燃温度，耐高温和抗水性能优异的催化剂，对促进甲烷催化燃烧，尤其是催化甲烷稀薄燃烧的发展具有重要的实际意义。

技术实现思路

[0012]鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂及其制备方法与应用，所述含镍氧化催化剂包括氧化物载体以及负载于所述载体上的催化活性组分；所述氧化物载体包括镍铝复合氧化物，在所述镍铝复合氧化物中，以铝氧化物的质量为100wt％计算，元素镍的质量为1～20wt％。本专利技术所得含镍氧化催化剂的起燃温度低、且具有优异的抗水性能，十分适用于天然气机动车尾气处理；所述制备方法简单，有利于工业放大生产，贵金属量负载较低，有利于降低成本，易于应用。
[0013]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0014]第一方面，本专利技术提供了一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂，所述含镍氧化催化剂包括氧化物载体以及负载于所述载体上的催化活性组分；所述氧化物载体包括镍铝复合氧化物，在所述镍铝复合氧化物中，以铝氧化物的质量为100wt％计算，元素镍的质量为1～20wt％。
[0015]本专利技术提供了一种含镍氧化催化剂，该含镍氧化催化剂由镍铝复合氧化物作为载体，负载催化活性成分，所述镍铝复合氧化物为含有镍及铝元素的单一物相，如镍铝尖晶石，并不是镍氧化物与铝氧化物经过机械混合或简单复合得到的；通过形成表面尖晶石结构，对活性相的锚定更加强烈，使得活性物种分散性和稳定性得到显著改善，从而增加催化剂的反应活性和抗水性。本专利技术探究了只使用所述镍铝复合氧化物作为载体时对整体所得含镍氧化催化剂的影响，在元素镍含量为1～20wt％时，所得含镍氧化催化剂具有优异的催化甲烷稀薄燃烧反应的能力，其起燃温度低且抗水性能优异，十分适用于天然气机动车尾气处理。
[0016]本专利技术所述稀薄燃烧是指采用大于17.2的空燃比(燃料/空气)，将所需空气引入气缸，促使燃料和空气充分接触，保证天然气被完全燃烧去除。该燃烧方式一方面可降低燃料的使用量和气缸的内燃温度，增加发动机及其相对零部件的使用寿命，另一方面对CO和HC(碳氢化合物)燃烧更加充分，尾气中CO和HC排放量可显著减少。
[0017]本专利技术所述在所述镍铝复合氧化物中，以铝氧化物的质量为100wt％计算，元素镍的质量为1～20wt％，例如可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％或20wt％等，优选为5～10wt％，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]所述铝氧化物为以Al2O3进行计算。
[0019]以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。
[0020]作为本专利技术优选的技术方案，所述镍铝复合氧化物的化学式为NiAlO
x
，其中。
[0021]所述NiAlO
x
中的x无具体数值，其指代镍铝复合形成的氧化物，进一步地可将化学
式记为yNiAlO
x
，其中y代表以铝氧化物的质量为100wt％计算，元素镍的质量含量，y可为1～20。
[0022]优选地，所述镍铝复合氧化物为镍铝尖晶石。
[0023]优选地，所述催化活性组分包括钯。
[0024]优选地，以所述含镍氧化催化剂的质量为100wt％计，所述催化活性组分的质量为0.8～1.2wt％，例如0.8wt％、0.85wt％、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于甲烷燃烧的含镍氧化催化剂，其特征在于，所述含镍氧化催化剂包括氧化物载体以及负载于所述载体上的催化活性组分；所述氧化物载体包括镍铝复合氧化物，在所述镍铝复合氧化物中，以铝氧化物的质量为100wt％计算，元素镍的质量为1～20wt％。2.根据权利要求1所述的含镍氧化催化剂，其特征在于，所述镍铝复合氧化物的化学式为NiAlO
x
；优选地，所述镍铝复合氧化物为镍铝尖晶石；优选地，所述催化活性组分包括钯；优选地，以所述含镍氧化催化剂的质量为100wt％计，所述催化活性组分的质量为0.8～1.2wt％，优选为1wt％。3.一种权利要求1或2所述的含镍氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)向含有镍源及铝源的溶液中加入沉淀剂，进行沉淀反应，得到的固体沉淀物；(2)将所述固体沉淀物进行第一焙烧，得到氧化物载体；(3)使用湿法浸渍法在所述氧化物载体上负载催化活性组分，进行第二焙烧，得到含镍氧化催化剂。4.根据权利要求3所述的含镍氧化催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述镍源包括硝酸镍和/或乙酸镍；优选地，步骤(1)所述铝源包括硝酸铝和/或碳酸铝；优选地，步骤(1)所述沉淀剂包括氨水和/或尿素；优选地，当所述沉淀剂为氨水时，所述沉淀反应在常温下进行；优选地，当所述沉淀剂为尿素时，所述沉淀反应在80～95℃下进行8～16h；优选地，步骤(1)所述沉淀反应的pH控制在7～8。5.根据权利要求3或4所述的含镍氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括，在步骤(1)中，对所得固体沉淀物进行分离、洗涤及干燥。6.根据权利要求3
‑
5任一项所述的含镍氧化催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一焙烧的温度为500～700℃，优选为550℃，时间为2～6h。7.根据权利要求3
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【专利技术属性】
技术研发人员：贺泓，蔡洁莹，张燕，单文坡，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：