[发明专利]羟基磷灰石载铑催化剂及其制备方法和在分解N2O中的应用

说明书

技术领域

本发明属于化工催化剂技术领域，具体涉及一种羟基磷灰石载铑催化剂及其制备方法和在高效分解N₂O中的应用。

背景技术

N₂O产生于硝酸、己二酸生产以及机动车尾气，是一种温室气体和臭氧层消耗气体。一般认为，目前大气温室气体成分中，N₂O对地球变暖的贡献仅次于CO₂和CH₄，其全球变暖值分别为CH₄的15倍及CO₂的310倍。此外N₂O在对流层中非常稳定，平均寿命长，是人类排放的首要消耗臭氧层物质。大气中N₂O背景浓度从工业革命之前的270 ppb增长到2007年的320 ppb，而且随着工业化进程的不断提高和机动车数目的迅猛增加，每年以0.2%-0.3%的速度增加。因此研究高效消除N₂O的技术和方法具有非常重要的现实意义。

N₂O可以通过热分解、选择性催化还原、直接催化分解等方法消除。热分解能耗高，选择性催化还原需要加入烃类或者氨作为还原剂，造成二次污染，也会导致更高的成本以及潜在的环境风险。相比之下，直接分解法热力学可行，而且工艺简单，受到了人们的广泛关注。直接催化分解采用的催化剂主要包括贵金属、金属氧化物以及负载型分子筛。

相比其它催化剂，贵金属显示出优秀的低温活性以及较好的抗水抗硫能力，在低温催化氧化亚氮分解中有着独特的优势。各种贵金属催化剂中，Rh显示出比Pt、Pd更为优秀的活性，从而作为重点研究的对象。催化剂的活性与载体有密切的联系，从而成为研究的重点。载体的碱性以及表面羟基位有助于活性组分的分散以及化学性质的调变，从而显示出更为优越的活性。作为载体，羟基磷灰石（HAP）具有一定的碱性以及丰富的羟基位，是氧化亚氮直接分解金属催化剂的一种优良载体，且相关研究尚未见诸文献报道。本发明将Rh/HAP应用于N₂O直接分解反应，取得了良好的活性、选择性和稳定性，其催化活性明显高于常用的Rh/γ-Al₂O₃催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性高、选择性和稳定性好的高效分解N₂O的催化剂及其制备方法和应用。

本发明提供的催化剂，以羟基磷灰石（HAP）作为载体，以Rh作为活性组分负载于HAP上组成，Rh在HAP上的负载量为HAP质量的0.5-1%，记为Rh/HAP催化剂。

本发明中所述Rh/HAP催化剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）共沉淀法制备HAP载体

以Ca(NO₃)₂•4H₂O为钙源，(NH₄)₂HPO₄为磷源，混合后滴加氨水调节pH，于50-100℃陈化1-4小时，抽滤，洗涤至滤液呈中性，80-120℃干燥10-36小时，然后于空气气氛中500-800℃焙烧2-8小时，制得羟基磷灰石（HAP）；

（2）浸渍法合成Rh/HAP催化剂

用等体积浸渍法将所需量的Rh(NO₃)₃溶液浸渍于HAP上，80-120℃干燥10-36小时，于空气气氛中400-600℃焙烧3-8小时，即得所需的催化剂。

步骤（1）中Ca(NO₃)₂•4H₂O与(NH₄)₂HPO₄摩尔比为1.5:1至2:1。

步骤（1）中氨水调节溶液pH值为7-11。

步骤（2）中Rh含量为HAP质量的0.5-1%。

本发明的Rh/HAP催化剂可用于高效分解N₂O为O₂与N₂，具有活性高、选择性高和稳定性好的优点。

Rh/HAP催化剂用于N₂O分解为O₂与N₂，具体以He为平衡气，以调整载气中N₂O的浓度，催化N₂O分解的反应条件为：

（1）催化反应的温度为200-400℃；

（2）He为平衡气，N₂O的浓度为1000-7000 ppm；