[发明专利]一种多级钴铁氧化物纳米阵列结构化催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于催化技术领域，具体涉及生长在铁基底上的结构有序，优先暴露高活性晶面，尺寸分布均匀的多级钴铁氧化物纳米阵列结构化催化剂及其制备方法。

背景技术

随着资源匮乏、环境恶化的问题日益严峻，节能减排降耗的绿色化工过程成为化工领域科研工作者所追寻的目标。催化剂材料，作为化工反应过程中的核心部分，其开发和利用关系着能源、环境和资源等领域的发展和技术进步。多相催化剂作为一类固体催化剂，由于可通过较简单的相分离方法与产物分开，在工业上大量使用。工业用多相催化剂目前多采用散堆颗粒催化剂，存在着高压降，高磨耗等缺点。颗粒催化剂散堆于床层中，颗粒间隙形成的流动通道形状不规则，流体流经固定床时压力降较大，动能消耗高。颗粒催化剂尺寸较小，容易随流体发生运动，若本身机械强度较差，则会因互相摩擦碰撞发生破碎粉化导致气流孔道堵塞，压降增加，加剧高压降，高能耗现象。多相催化剂材料的结构化设计被认为是解决这一问题的有效途径之一。结构化催化剂由于规整载体所具有的结构特征，使它形成的催化反应床层具有不同于常规颗粒型催化剂反应床层的流体流动、传质和传热等特征。它提供了均匀、有规则、直通的孔道，并具有大空隙度。流体在其中流经的路径很少弯弯曲曲，能在不同的流体动力学状态下操作。结构化催化剂的规则结构有利于物料与催化剂的均匀充分接触。同时，这也减少或避免了由于流动不均匀产生的过热点。另外，结构化催化剂的放大可认为是简明的，因为单独孔道内的条件是不变的。与常规固定床反应器不同，结构化反应器中催化剂涂层的厚度可以很小，规整催化剂层中扩散距离短，有利于消除内扩散阻力对非均相反应的影响，催化剂利用率很高。但是现在结构化催化剂的制备过程通常包括载体的制备，涂层的制备以及活性组分的负载三个步骤，这样由于结构的特殊性常常导致活性组分分布不均匀，与载体的粘结性不强，直接影响它的催化性能与使用。因此新型的结构化催化剂的设计与合成成为目前亟待解决的问题之一。近几年，纳米材料可控合成技术的发展和分析手段的进步，为高性能催化剂的开发带来新的契机。纳米阵列材料以其新颖的结构、独特的光电特性和催化特性，在纳米器件制作等领域的应用有着巨大的优势和潜力受到人们的极大关注。另一方面，催化剂材料尺寸的微细化已经被证明是提高催化性能的有效途径，通过增大表面与气体、液体等反应原子的接触机会，使活性得到提高。对于结构规整的纳米阵列来说，可以通过减小一维纳米材料的尺寸来增大催化剂整体材料的比表面积；此外，材料的形貌和晶面效应也引起了人们的广泛关注。对于结晶良好且具有特定形状的纳米晶而言，其表面一般由确定的晶面构成。由于结构敏感型反应在同一物质的不同晶面上的活性往往存在差异，从而导致催化活性和选择性发生变化。因此与催化剂晶面性质有关的表面结构和表面活性位点很大程度上决定了催化剂的催化性能。

尖晶石Co_3-xFe_xO₄由于其在氧化还原过程中并不改变尖晶石晶格构型，具有良好的结构稳定性和催化性能，因此对于大量的化学反应过程是一种有效的催化剂。比如它可用于：醇类和过氧化氢的分解、CO的氧化(Xie，X.；Li，Y.；Liu，Z.-Q.；Haruta，M.；Shen，W.Nature 2009，458，746-749.)、饱和烷烃的燃烧(Hu，L.；Peng，Q.；Li，Y. J.Am.Chem.Soc.2008，130，16136-16137.)、烯烃的氧化(Guin，D.；Baruwati，B.；Manorama，S.V.，Journal of Molecular Catalysia A：Chemical 2005，242，26-31.)、环己烷的氧化(Tong，J.；Bo，L.；Li，Z.；Lei，Z.；Xia，C.，Journal of Molecular Catalysis A：Chemical 2009，307，58.)。

但是到目前为止，对于纳米阵列应用于结构化催化剂的研究工作还较少，一定程度上限制了高性能催化剂的工业开发和应用。基于此我们提出以结构有序的具有大比例高活性晶面优先取向的纳米阵列作为结构化催化剂的设想，由催化活性组分形成的纳米阵列，由于可在基底上直接生长催化活性物质，形成的纳米结构确定、有序，可实现高的比表面积，解决传统整体催化剂活性组分分布不均匀，与载体的粘结性不强的问题。在这里我们以苯乙烯的催化氧化反应评价了多级Co_3-xFe_xO₄纳米阵列结构化催化剂的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级钴铁氧化物纳米阵列结构化催化剂及其制备方法。