[发明专利]用于天然气车尾气中甲烷净化的负载型催化剂及制备与应用

说明书

本发明提供了一种用于天然气车尾气中甲烷高效净化的ZrO₂负载型含Mn催化剂及其原位制备方法，属于天然气车尾气净化技术领域。该类催化剂以ZrO₂为载体，以过渡金属元素Mn、Fe、Cu中的一种或几种作为活性组分，活性组分的负载量(质量比)为40～80％。其制备方法如下：将一定量的ZrO₂载体加入锰前驱体中，采用水热法在ZrO₂上原位制备出单相MnO₂及其改性组分，然后通过离心、洗涤、干燥后，得到催化剂。本发明的催化剂对天然气车尾气中甲烷的起燃温度低，能在500℃以下将甲烷完全氧化，与现行商用贵金属催化剂的净化性能相当，且成本低廉、热稳定性好。本发明中催化剂的制备方法简单、原料丰富、易于操作、成本低廉，极具应用前景。

技术领域

本发明属于天然气车尾气净化技术领域，特别涉及一种用于天然气车尾气中甲烷净化的负载型催化剂及制备与应用。

背景技术

全球正面临严峻的能源短缺和环境污染问题，天然气因其储量丰富和安全可靠成为新能源领域的新宠，天然气车作为新能源汽车在许多国家得到大力推广。天然气车排放的尾气中含有未完全燃烧的甲烷，是一种环境污染气体，因此需要净化处理后才能满足日益严格的排放法规的要求。催化燃烧是一种有效的甲烷转化方式，其关键在于开发高效经济的催化剂。

天然气车尾气甲烷净化领域中应用最广泛的催化剂是贵金属类催化剂，包括Pt、Pd、Au及其对应的氧化物，其具有良好的低温起燃活性和催化活性(CN102872866A，CN103131488A)；但贵金属资源稀缺且原料价格持续上涨，使用时存在中毒和高温失活现象，这些因素使贵金属的大规模应用受到一定限制。因此，寻找可替代贵金属的催化剂一直是研究热点，资源丰富且价格低廉的金属氧化物逐渐受到重视(CN105536804A，CN105749917A)，人们尝试通过选择合适的组分、配比及制备方法等，获得低温起燃活性与贵金属相近的催化剂。其中，Co和Cr被普遍认为是最具潜力的催化剂(CN105983408A，CN103599790A，CN102626633A，CN102626652A)，但它们具有生物毒性，因此科研人员逐渐将目光转向了环境友好且低温活性较高的Mn催化剂。

Mn催化剂的催化活性不仅与活性组分的晶体结构有关，还与载体的种类和性质紧密相关。ZrO₂因其具有表面酸碱性、热稳定性好及抗中毒能力强等优点，是一种优异的载体材料。CN1210104C制备了含Cu、Fe、Zr的纳米复合氧化物催化剂，用于芳香烃挥发性有机物的净化处理；CN104001500B制备了锰锆镧复合储氧材料，用于柴油车尾气净化；但二者得到的材料均为混合相催化剂，其中Zr以助剂的角色存在于催化剂中，因此并不能发挥ZrO₂的载体作用。而以ZrO₂作为载体的负载型催化剂用于天然气尾气中甲烷净化的报道并不多见。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于天然气车尾气中甲烷净化的负载型催化剂及制备与应用，该材料用于净化天然气车尾气中的甲烷时，起燃温度低，稳定性好，原位制备方法工艺简单，原料丰富，成本大大降低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于天然气车尾气中甲烷净化的负载型催化剂，以ZrO₂作为载体，活性组分为：

Mn，或，

Mn和Fe，或，

Mn和Cu，或，

Mn、Fe和Cu。

所述催化剂具体组份为：

单相MnO₂和单相ZrO₂；或，