[发明专利]用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂、其制备及应用

说明书

技术领域

本发明属于能源利用及环境保护技术领域，具体涉及一种用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂、其制备及应用。

背景技术

随着环境意识和污染物排放指标的提高，天然气以储量丰富、价格低廉、热效率高、污染小等优点，被认为是目前最清洁的能源之一。天然气的主要成分是甲烷，和其他有机化合物相比，甲烷较难活化，特别是当甲烷的浓度较低时如煤矿通风瓦斯气（浓度<1%）。我国每年采煤过程中向大气中排入大量的甲烷气体，这不仅造成了资源浪费，而且带来了严重温室效应和对生态环境的破坏。但由于甲烷的燃烧温度很高（>1600℃），在空气中的燃烧产物NOx等会造成环境污染，催化燃烧被认为是解决这一问题最有效的途径。

甲烷在燃烧反应过程中会产生大量水蒸气，同时天然气中含少量硫，因此甲烷催化燃烧催化剂必须具备较高的活性和较高的水热稳定性，以及一定的抗中毒能力。开发高效稳定的甲烷低温催化燃烧催化剂引起国内外研究者极大的兴趣。目前，开发的两种主要的甲烷燃烧催化剂是贵金属燃烧催化剂和金属氧化物燃烧催化剂。金属氧化物催化剂主要用于高温催化燃烧，起燃温度比较高，不适合用于贫燃条件下的催化燃烧。贵金属催化剂具有较好的低温甲烷燃烧活性，不易挥发，具有较好的应用前景。在众多的贵金属催化剂中，钯的活性较好，文献中报道最多的是Pd/Al₂O₃催化剂，但Al₂O₃的水热稳定性较差，寻找合适的载体，可用来提高催化剂的活性和稳定性。

碳纳米管因其具有化学稳定性和热稳定性高、比表面积大、机械强度高、小尺寸效应、吸附特性以及独特的管腔结构的特点，作为催化剂载体在加氢、脱氢和择形催化反应中显示出很大的应用潜力。中国专利（CN201110022555.2）开发了一种应用于乙醇燃料电池的镍纳米粒子负载多壁碳纳米管催化剂。中国专利（CN200910236390.1）给出了一种应用于多相不对称催化的Pt碳纳米管催化剂的制备方法。而碳纳米管在催化燃烧中的应用还鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂、其制备及应用。该催化剂特别适用于贫燃富氧条件下。

本发明提供了一种用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂（Pd/MWNTs），该催化剂以碳纳米管为载体，以钯为活性组分，钯颗粒均匀的分散在碳纳米管的表面；其中钯含量占催化剂总重量的0.1~5wt%（优选为0.5wt%~2wt%），钯颗粒的粒径为2~5nm。

本发明提供的用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂，所述碳纳米管载体直径为8～100nm（优选为20~50nm），长度为1~50μm（优选为10~30μm），比表面积40~300m²/g（优选为80~210m²/g）。

本发明提供了一种用浸渍法制备用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂的方法，该方法包括以下步骤：

（1）碳纳米管载体的预处理：将纯化后的多壁碳纳米管加入到浓硫酸与浓硝酸体积比为3/1～1/1的混酸中，超声5~60min，搅拌下于50～160℃处理1~24h，洗涤过滤，水洗至滤液pH值为中性，于50～120℃干燥12~48h，得到预处理的碳纳米管载体；

（2）浸渍法制备Pd/MWNTs催化剂：依据载钯量需求，配制不同含量的氯钯酸溶液，将步骤（1）得到的碳纳米管浸于氯钯酸溶液中，搅拌浸渍1-24h；

（3）将步骤（2）得到的物料于50~120℃干燥12~48h；

（4）将步骤（3）得到的产物于200~600℃焙烧1~4h，得到碳纳米管载钯催化剂。

本发明还提供了一种用沉积沉淀法制备用于甲烷催化燃烧的碳纳米管载钯催化剂的方法，该方法包括以下步骤：

（1）碳纳米管载体的预处理：将纯化后的多壁碳纳米管加入到浓硫酸与浓硝酸体积比为3/1～1/1的混酸中，超声5~60min，搅拌下于50～160℃处理1~24h，洗涤过滤，水洗至滤液pH值为中性，于50～120℃干燥12~48h，得到预处理的碳纳米管载体；