CN110075831B - 一种用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂及其制备方法 - Google Patents
一种用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂及其制备方法，属于有机气体污染物催化燃烧领域。催化剂由贵金属Ir，其氧化物和二氧化钛载体组成。以催化剂的重量为100%计，贵金属铱的重量百分比为0.1~10.0%。该催化剂通过在二氧化钛载体上浸渍贵金属铱的前驱体溶液，经干燥后得到负载贵金属成分的催化剂，在空气气氛中焙烧或者在氢气气氛中焙烧处理，得到用于低浓度甲烷燃烧催化剂。同其它用于甲烷催化燃烧催化剂相比，本发明所述催化剂具有制备方法简单、低温活性高和稳定性好的特点，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于有机气体污染物催化燃烧领域，具体地说，涉及一种用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂及其制备方法。
背景技术
近年来，“环境”和“能源”问题日益严重，已经成为制约人类可持续发展的重要因素之一。天然气是一种清洁能源，但主要成分甲烷也是一种温室气体。因此，控制甲烷的排放以及消除未燃尽甲烷具有重要的意义。催化燃烧具有起燃温度低，反应速率快，处理效率高和适用范围广等优点，是控制低浓度甲烷排放的重要技术之一。
钯基催化剂是现在甲烷催化燃烧研究最为广泛的贵金属催化剂。专利CN105457653A通过高温原位反应构筑功能层来强化钯贵金属和载体间的相互作用，提高催化剂的性能；专利CN104923224A以氧化锡为载体，加入稀土氧化物助剂、碱金属或碱土金属促进钯基催化剂的活性和稳定性。尽管钯基催化剂在甲烷催化燃烧领域得到了大量的研究，但仍存在贵金属利用率低、低温活性不足、稳定性差和高空速效率低等技术难题。2017年，Weave团队（Science, 2017, 356: 299-303）利用模型表面化学的研究方法，从理论上证实了IrO2 (110)对甲烷活化的较好低温活性。然而，铱基高效甲烷催化燃烧催化剂还未见报道。胡盼静等（化学学报, 2011, 69: 2080-2084）报道Ir/ZrO2的甲烷催化性能，但远不及文献中报道的钯催化剂的催化性能（ACS Catalysis, 2017, 7, 1615-1625）。
发明内容
针对上述甲烷燃烧催化剂所面临的问题，本发明的目的是为了解决传统负载型贵金属催化剂稳定性差、成本高，特别是低温活性不足等缺点，提供一种制备工艺简单，价格低廉，适合大规模生产的铱基催化剂，从而获得具有优异低温活性和稳定性的甲烷催化燃烧催化剂。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂，由贵金属铱、其氧化物和二氧化钛载体组成。
上述用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂中，催化剂的重量以100%计，贵金属Ir按贵金属元素重量计，贵金属Ir的重量百分比为0.1~10%。
上述用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铱金属前驱体溶液负载在二氧化钛载体上，优选等体积浸渍法；
（2）将步骤（1）所制样品在空气中干燥后在空气气氛中焙烧或者在氢气气氛中煅烧或者先在空气气氛中焙烧再在氢气气氛中煅烧，得到用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂。
在上述制备方法中，步骤（1）所述贵金属Ir的前驱体溶液为氯铱酸水溶液，也可选用其氯化物水溶液。
在上述制备方法中，所述的干燥温度为80~120 ℃，干燥时间为1~24 h；所述的空气气氛焙烧温度为500~900 ℃，焙烧时间为1~24 h；氢气气氛中煅烧温度为350~900 ℃，煅烧时间为1~24 h，优选1~6小时。
在上述制备方法中，空气气氛亦可根据需要由氧气和惰性气体组成的不同比例混合气代替；氢气气氛可为纯氢气氛围，亦可根据需要由氢气和惰性气体组成的不同比例混合气代替。
上述的制备方法中所述的二氧化钛载体，直接选用商业锐钛矿或者金红石结构二氧化钛颗粒，由其它方法获得的不同形貌的二氧化钛亦可选用为载体。
上述的二氧化钛负载铱催化剂用于低浓度甲烷催化燃烧反应中，可通过成型直接使用，亦可通过负载在商业整体式载体上应用。
与现有技术相比，本发明制备的用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂，具有组成和制备方法简单、成本低、低温活性高和稳定性好的特点，便于推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不局限于实施例所示的范围。
实施例1：
用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂，所述催化剂由贵金属Ir，其氧化物和TiO2载体组成。所述载体的矿相结构为锐钛矿相。以催化剂的重量为100%计，Ir的重量百分比为1%。用等体积浸渍法，将含有所需量的氯铱酸前驱体溶液浸渍到载体上， 在空气气氛中，100 ℃条件下干燥12 h， 然后在空气气氛中，500 ℃焙烧2 h，升温速率为10 ℃/min。最后，在纯H2气氛中400 ℃焙烧1 h，升温速率为10 ℃/min，制得甲烷催化燃烧催化剂。
实施例2：
用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂，所述催化剂由贵金属Ir，其氧化物和TiO2载体组成。所述载体的矿相结构为金红石相。以催化剂的重量为100%计，Ir的重量百分比为5%。用等体积浸渍法，将含有所需量的氯铱酸前驱体溶液浸渍到载体上，80 ℃空气气氛中干燥24 h， 800 ℃空气气氛中焙烧5 h，升温速率为10 ℃/min。制得甲烷催化燃烧催化剂。
实施例3：
用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂，所述催化剂由贵金属Ir，其氧化物和和TiO2载体组成。所述载体的矿相结构为锐钛矿相。以催化剂的重量为100%计，Ir的重量百分比为1%。用等体积浸渍法，将含有所需量的氯化铱前驱体溶液浸渍到载体上，120 ℃空气气氛中干燥过夜，H2气氛中500 ℃焙烧2 h，升温速率为10 ℃/min，制得甲烷催化燃烧催化剂。
分别取200 mg实施例1-4所述催化剂，放置于管式固定床反应器中进行实验，反应气体连续通过管式固定床，反应空速为30000 ml g-1 h-1，通入气体的组成为甲烷：氧气：氮气=1:20:79（体积分数）。活性评价结果如表1所示。
表1催化剂活性评价结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 甲烷转化率为10%的温度 | 260 ℃ | 350℃ | 250 ℃ |
| 转化率为99%的温度 | 320 ℃ | ＞800 ℃ | 320 ℃ |
| 转化率为99%温度下，50 h连续性反应后的甲烷转化率 | ~99% | - | - |
Claims (4)
1.一种铱负载型催化剂在低浓度甲烷催化燃烧反应中的应用，其特征在于，所述铱负载型催化剂由贵金属Ir、铱的氧化物和二氧化钛载体组成，所述铱负载型催化剂的制备方法包括如下步骤：
(1)采用等体积浸渍法用铱金属前驱体溶液浸渍二氧化钛载体；
(2)将步骤(1)所得样品在空气中干燥后在氢气气氛中煅烧，或者将步骤(1)所得样品在空气中干燥后先在空气气氛中焙烧再在氢气气氛中煅烧，得到用于低浓度甲烷催化燃烧的铱负载型催化剂。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，以催化剂的重量为100％计，贵金属Ir按贵金属元素重量计，贵金属Ir的重量百分比为0.1～10％。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(1)所述Ir金属前驱体溶液为氯铱酸水溶液或氯化依水溶液。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(2)中所有所述的干燥温度为80～120℃，时间为1～24h；步骤(2)中，所述的空气气氛焙烧温度为500～900℃，焙烧时间为1～24h；步骤(2)中所有氢气气氛中煅烧温度为350～900℃，时间为1～24h。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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