[发明专利]一种用于N2O直接分解的Fe/ZSM-5催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于N₂O直接分解的Fe/ZSM-5催化剂的制备方法。

本发明的特点是改变以往通过液相离子交换方法制备催化剂，而采用固态离子交换的方法来制备，从而能避免铁盐前驱体的水解和沉淀，减少惰性的氧化铁的生成。另外通过选择FeCl₃这种容易升华的前驱体，可以使活性相的分布更加均匀。通过添加Ga、B、P和高温焙烧的方法来可以增加N₂O分解的活性位，从而提高了其催化活性。

背景技术

氧化亚氮(N₂O)，俗名笑气，作为一种应用于医疗中的温和的麻醉剂，这种略带甜味的无色气体长期被忽视。然而，自上个世纪90年代以来，人们逐渐认识到N₂O对于大气层的污染和破坏作用。N₂O的温室效应能力分别是甲烷和CO₂的300和20倍以上，大气中的N₂O还可通过转化成NO_x而破坏臭氧层。1997年所签署的京都议定书中所明确限定了N₂O与其它5种主要温室效应气体(CH₄、CO₂、HFCs、PFCs以及SF₆)的排放。签署京都议定书的国家承诺在2008到2012年之间将这六种温室气体至少减排5％。人类生产活动产生的N₂O主要来源于己二酸、硝酸的生产以及化石燃料的燃烧(如火力发电)。另外，机动车尾气净化器可使尾气中的NO_x转化成N₂O，这种N₂O排放源所占的比重也在逐年增加。随着中国经济的发展，污染问题越来越受到人们的关注。预计在不久的将来，N₂O的限制排放将必然实施。

己二酸生产过程的尾气中N₂O的浓度高达25-40vol.％，N₂O分解所释放的热量可使催化剂床层温度升至900K以上。目前已开发有多种催化技术手段。控制这个工艺中N₂O排放相对容易。然而，如何控制硝酸的生产以及化石燃料的燃烧过程中的N₂O排放却是一个难题。在上述两种来源中，尾气中N₂O浓度小于0.5vol.％，并且存在较高浓度的H₂O、NO、O₂、SO₂。负载型过渡金属(Cu、Co、Ni)和贵金属(Rh、Pd、Ru)催化剂虽然对He-N₂O混合气中N₂O分解具有很高的活性，然而反应原料气中存在少量H₂O、NO、O₂或SO₂会使上述催化剂迅速失活或显著抑制其活性。

Fe/ZSM-5催化剂对N₂O分解(烃类的选择催化还原(SCR)和直接催化分解)表现出独特而优异的性能。Fe/ZSM-5上N₂O的烃类选择催化还原反应在水汽和SO₂存在下可保持较高的稳定性，这与其它金属/分子筛催化剂(如Cu/ZSM-5)形成鲜明对比。近期的研究进一步表明，在某些Fe/ZSM-5催化剂上，N₂O的直接催化分解甚至在较高浓度的H₂O、NO、O₂、SO₂的存在下，还具有优异的稳定性和活性。这些发现为消除硝酸生产尾气中稀N₂O的排放提供了极具希望的解决方案。

综上所述，Fe/ZSM-5催化剂在N₂O直接分解反应中表现出很好的工艺前景。因此，如何合成出高活性、高稳定性的催化剂是关键之一。一般文献和专利采用的方法是主要通过水热合成、液相离子交换和化学气相沉积(CVD)(US patent：6143681)的方法。水热合成的方法主要的缺点是引入骨架位的铁的含量有限，很难合成具有高铁含量的催化剂。液相离子交换方法的缺点在于铁物种在水溶液中容易沉淀，从而容易形成惰性的氧化铁颗粒；另外这种方法重现性比较差。而化学气相沉积方法(CVD)的缺点是铁物种的含量无法控制，容易生成大量的氧化铁纳米粒子。中国专利(CN 158296A)虽然也采用了固相交换的方法，但是有催化剂的分散不均匀和容易形成大块的氧化铁的缺点。

发明内容