[发明专利]一种Co/羟基磷灰石催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Co/羟基磷灰石催化剂及其制备方法和应用。该催化剂以羟基磷灰石为载体，钴为活性组分，其中Ca/P摩尔比为1.35~1.67，钴占催化剂总质量的0.5~2.6％。本发明以(NH₄)₂HPO₄为磷源，Ca(NO₃)₂·4H₂O为钙源，溶解混匀后加氨水调节体系pH，再经过滤，干燥和焙烧等制得载体；将钴盐溶解于PBS（phosphate buffer saline）分散剂溶液，超声处理后加入载体粉末，室温下进行离子交换，再经过滤，干燥和焙烧等步骤制得催化剂。该催化剂制备工艺简单，原料来源广泛，成本低，对人体和环境无害；能在较宽温度范围内催化分解N₂O，具有优良的耐氧、耐水和耐NO等性能。

技术领域

本发明涉及一种Co/羟基磷灰石催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂制备技术领域。

背景技术

N₂O曾长期被认为是一种对环境无害的气体，并广泛应用于医学及工业等领域。近年来，随着人们对N₂O认识和研究的不断深入，其环境危害性已得到共识。N₂O不仅是一种强臭氧消耗剂，而且也是一种主要的温室气体，其全球升温潜能值（GWP）分别是CO₂的310倍和CH₄的21倍。此外，N₂O化学性质稳定，在大气中的存留时间约150 年。因此，N₂O的排放控制和消除已成为各国必须面对的一个重要课题, 其相关技术的研究和开发也越来越受到研究人员的重视。

N₂O主要来源于化石燃料的燃烧、己二酸、硝酸及化肥的生产过程等。目前用于N₂O消除的方法包括热分解法，非选择性催化还原法，选择性催化还原法和直接催化分解法等。其中，直接催化分解法因其具有工艺简单，成本低且不产生二次污染等优点被广泛研究。目前，国内外学者已研究了多种N₂O分解催化剂，包括贵金属催化剂、金属氧化物催化剂和分子筛催化剂。贵金属催化剂，如Pt、Ru、Rh、Au等，在N₂O催化分解中表现出较高的催化活性。然而，贵金属资源稀少且价格昂贵，使其应用受到了限制。分子筛催化剂也具有高的催化N₂O分解活性，但当反应气氛中存在少量水蒸气时，易造成其结构坍塌，发生不可逆失活，进而影响催化剂的使用性能。金属氧化物催化剂因制备方法简单、组成结构易于调变且具有较高的催化活性而受到广泛关注。Ohnishi等研究了各类金属氧化物对N₂O直接分解的催化活性，结果显示，与CuO、Fe₃O₄、MnO₂等氧化物催化剂相比，Co₃O₄由于具有较高的氧化还原性质而表现出更优的催化活性(Ohnishi C, Asano K, Iwamoto S, et al. Alkali-dopedCo₃O₄, catalysts for direct decomposition of N₂O in the presence of oxygen.Catalysis Today, 2007, 120(2):145-150.)。为了进一步提高单一Co氧化物催化剂使用过程中的热稳定性和抗杂质气体的耐受性等，人们广泛研究了复合氧化物催化剂，如Co-Ti、Co-Ag、Co-Sn、Co-Ni等。由于与Co物种之间存在相互作用，复合氧化物中第二组分的引入，通过增强Co活性位的给电子能力，促进催化剂表面氧物种脱附，在一定程度上提高了Co₃O₄的热稳定性和抗杂质气体的耐受性。然而，由于N₂O直接催化分解为气固两相反应，催化作用过程往往发生于催化剂的表面或相界面处，大量的体相活性组分得不到充分利用。因此，复合氧化物催化剂还存在活性组分利用率低的不足。此外，在具体应用于硝酸尾气中N₂O催化分解时（反应温度约800 ℃），复合氧化物催化剂仍面临高温易烧结的问题。