[发明专利]一种二氧化铈基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二氧化铈基催化剂，主要由Ce、Al、Si、O几种元素组成。本发明还公开了一种二氧化铈基催化剂的制备方法，制备方法简单，易于操作和实施。本发明二氧化铈基催化剂可应用于氨气选择性催化还原氮氧化物，该催化剂具有优异的氮氧化物还原能力和氮气选择性、反应活性窗口宽，同时具有良好的抗二氧化硫中毒性能和水热稳定性。采用本发明制备的二氧化铈基异质结构催化剂处理废气中的氮氧化物能够有效克服传统钒基催化剂对人体的毒害作用及对环境造成二次污染的缺陷，具有经济性、环境友好、易于工业化的优点。

技术领域

本发明涉及氨气选择性催化还原氮氧化物的催化剂领域，具体涉及一种二氧化铈基异质结构催化剂及其制备方法和在氨气选择性催化还原氮氧化物中的应用。

背景技术

柴油车因其经济性好、燃油效率高及输出功率大，在国内外得到了广泛运用。然而，柴油车产生日趋严重的氮氧化物(NO_x)排放，会造成酸雨、雾霾、光化学烟雾、近地面臭氧层浓度增加等系列环境问题等环境污染问题。我国规划倡导绿色理念，明确指出，到2020年，氮氧化物排放量较2015年减少15％。此外，新出台的《城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法》(HJ 689-2014)，提出了更加严格的柴油车NO_x排放标准。因此，柴油车NO_x排放控制刻不容缓。

NO_x的脱除和控制技术主要包括：选择性催化还原法、选择性非催化还原法、微生物法、吸收法、吸附法、等离子体法等。目前，以氨源作为还原剂选择性催化还原NO_x即NH₃-SCR法是应用最为广泛的NO_x减排技术。催化剂是NH₃-SCR法的核心，对烟气的脱硝效果有直接影响。钒基催化剂是开发最为成熟的商用NH₃-SCR脱硝催化剂，已广泛运用于NO_x排放控制领域。但是钒有生物毒性，且钒氧化物是剧毒化学品。因此，钒基催化剂在生产、使用及后处理过程中均存在较大的环境污染风险。美国和日本已明令禁止将钒基催化剂用于柴油车尾气脱硝。因此，开发环境友好型非钒基催化剂是未来SCR技术发展的一个重要趋势。非钒基SCR催化剂可以分为贵金属催化剂、分子筛催化剂、金属氧化物催化剂等。贵金属催化剂的主要活性成分为Pt、Pd、Rh等贵金属。由于其出色的低温活性，早在20世纪70年代受到多数研究人员的关注并用于汽车尾气治理的三效催化剂中。贵金属催化剂的缺点在于成本昂贵，易受烟气中其他成分(如SO₂、碳氢化合物等)影响而发生中毒，限制了进一步的工业应用。此外，分子筛催化剂如ZSM系列、HBEA系列、SAPO系列、SSZ系列等，通过离子交换负载Fe、Mn、 Cu、Co、Ce等活性组分具有良好的NH₃-SCR活性。然而，分子筛催化剂最大的缺点在于在高温水热条件下易发生脱铝现象，造成分子筛骨架坍塌，酸性位点缺失，导致氮氧化物去除率迅速下降。因此，开发氮氧化物脱除效率高，氮气选择性好，抗水/抗硫性能优异、经济可取又环境友好的新型催化剂，对氮氧化物排放控制及改善大气环境具有重要的现实意义。金属氧化物催化剂因其种类繁多，如铈基、锰基、锆基、铜基等等，是近年来研究最广泛的催化剂。根据其可控的形貌结构，可调的氧化还原性和酸性，可设计制备出系列具有低温活性、宽反应温度窗口、高抗中毒性能的NH₃-SCR催化剂。

发明内容

本发明设计/制备了一种氮氧化物脱除效率高、抗二氧化硫/水中毒性能好、经济可取且环境友好的二氧化铈基NH₃-SCR催化剂。

这种二氧化铈基催化剂，主要由二氧化铈及埃洛石两种活性组分组构成，利用异相成核及自组装原理，采用水热法合成。即所述的二氧化铈基催化剂包括作为载体的埃洛石以及负载在所述埃洛石上的二氧化铈纳米颗粒。本发明催化剂以埃洛石(HAT)作为载体，通过异相成核及自组装作用负载二氧化铈(CeO₂)纳米颗粒。其活性组分主要是二氧化铈纳米颗粒和酸性埃洛石。