[发明专利]一种二氧化铈包裹Pd的球形催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化铈包裹Pd的球形催化剂及其制备方法。先制备铈盐和钯盐的前驱体溶液A，然后将前驱体溶液A在水热反应釜中反应，制得产物B，产物B经离心洗涤、干燥、焙烧获得球形的二氧化铈包裹Pd的催化剂。本发明的合成方法简单，所得催化剂具有较高的Pd金属分散度和催化氧化性能。催化剂在气体组成为2%CH₄，4%O₂，20%CO₂,N₂平衡，空速为100000 mL·g^‑1·h^‑1条件下，反应温度为470℃时甲烷转化率可达到90%，催化剂经1000℃热老化2 h后结构没有明显改变，并在相同气氛500℃下进行的50 h稳定性测试中活性一直保持在99%以上，具有优良的催化甲烷燃烧活性和稳定性。

技术领域

本发明属于材料制备及应用领域，具体涉及一种二氧化铈包裹Pd的球形催化剂及其制备方法。

背景技术

在石油和煤矿开采的过程中，会存在大量油田伴生气和煤层气，由于受到技术手段的制约，加之在油田及煤矿开采过程中伴生气相对难以控制，很大一部分含低浓度甲烷的油田（或煤层气）伴生气被排空。除此之外，煤化工过程也排放大量的含低浓度甲烷驰放气。由于油田伴生气或工业驰放气等含有甲烷的气体中，甲烷浓度较低，不能实现常规燃烧；另一方面甲烷常规燃烧温度高达1600 ℃，采用传统的燃烧方式常伴有二次污染物NO_x，并且能源利用率低。因此，为了实现低浓度甲烷的高效清洁燃烧，需借助催化燃烧的方法。

甲烷是一种具有正四面体分子结构的稳定烃类（C-H键键能413 kJ/mol），是含碳烃类中最难被活化氧化的一种气体，即使在有催化剂作用的情况下，甲烷的起活和完全转化温度都很高。长期的高温运行，易导致催化剂发生热烧结失活。

因此，寻找一种更有效解决低浓度甲烷排放问题的方法，关键在于研发具有低温高活性的甲烷催化燃烧催化剂，以实现低浓度甲烷的高效清洁燃烧，满足越来越严格的排放法规要求。

氧化铈包裹贵金属粒子的催化剂是目前甲烷燃烧催化活性表现较优的一类催化剂。CN 104014339A公开了一种阳极氧化铝负载核壳型催化剂及其合成方法，该催化剂包括阳极氧化铝纳米管阵列载体和核壳结构单元Pd@CeO₂，该催化剂首先通过化学自组装法合成Pd@CeO₂核壳结构单元，再将Pd@CeO₂结构单元从溶液中负载到阳极氧化铝表面上，经焙烧后得到阳极氧化铝负载氧化铈包裹Pd催化剂。M. Cargnello等在文献[Science, 2012, 43(47): 713-717]上公开了一种Pd@CeO₂负载于Al₂O₃上的催化剂的合成方法，该催化剂在甲烷催化燃烧方面表现出较好的活性，但其合成步骤中有机溶剂运用较多，且关键的步骤必须在完全隔绝氧的气氛下进行，合成方法成本高，制备重现难。Xiao Wang等在文献[Angew.Chem. 2016, 128, 4618-4622]上公开了Pd@CeO₂负载于Al₂O₃上可得到结构稳定的催化剂，但其在合成过程中需对Pd进行复杂处理，且催化剂中 Pd含量高（4.5-50 wt%），得率低。总而言之，目前这些包裹型Pd-CeO₂催化剂合成方法存在的主要不足为合成步骤繁多、控制条件复杂、得率低、使用了大量对环境和身体健康不利的原料，限制了这些方法的规模化工业应用。针对目前高性能包裹型甲烷催化燃烧催化剂的合成方法存在的问题，本发明提供了一种相对简单的具有高活性和稳定性的二氧化铈包裹Pd的球形Pd-CeO₂催化剂合成的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种二氧化铈包裹Pd的球形催化剂及其制备方法。本发明的球形催化剂提高了贵金属Pd的分散度和氧化还原性能，使其具有高的催化甲烷燃烧活性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：