[发明专利]一种用于低浓甲烷催化燃烧的钴基催化剂

说明书

本发明公开了一种用于低浓甲烷催化燃烧的钴基催化剂及其制备方法和应用。采用微波单模结合自蔓延燃烧法制得掺杂稀土元素Ce的Ni‑Co基尖晶石，是一种非贵金属催化剂，在440ºC条件下甲烷转化率可达到90%以上，且在5vol%H₂O和5vol%CO₂条件下呈现出较高的催化稳定性。该催化剂具有成本低、制备工艺简单、比表面积较大、活性稳定性好等特点，是一种性能优异的低温低浓度甲烷燃烧催化材料，具有显著的工业应用价值。

技术领域

本发明属于催化材料制备领域，具体涉及一种用于低浓甲烷催化燃烧的钴基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

甲烷是最稳定的烃类，通常难以活化或氧化。低浓度CH₄的一般利用方式为直接火焰燃烧，但直接燃烧所需要温度较高（1900 ºC左右），易伴随产生NO_x等二次污染物。催化燃烧技术是一种解决低浓度CH₄尾气较为有效的途径。目前，用于CH₄催化燃烧的催化剂根据活性组分的不同可分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂。Pt、Pd、Ru等贵金属催化剂均呈现出较好的低温低浓度甲烷消除技术。然而由于贵金属催化剂高温易烧结且昂贵的价格限制了该类催化剂的广泛应用。近年来，过渡金属氧化物因其价格低廉、具有良好热稳定性以及优异的烃类燃烧性能而被众多学者研究。其中钴基尖晶石催化剂是烃类催化燃烧的一个重要发展方向。

传统的Co基尖晶石合成方法主要有共沉淀法、溶液蒸发法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥和冷冻干燥法等，这些制备方法一般均需要高温煅烧（一般  600 ºC）才能形成尖晶石晶型，导致其比表面积较低，影响了其催化效果，从而限制了该类催化材料的实际应用。因此，迫切需要寻找制备高性能的尖晶石型氧化物催化剂的新技术。近年来，低温燃烧合成技术因具有一系列独特的优点，已成为一种合成纳米氧化物的极具发展潜力的方法。目前研究者对低温燃烧法的研究主要集中在通过调节反应体系中燃料/氧化剂比对产物结构和性能的影响，但这些尚未很好地解决低温燃烧所得的产物因团聚导致颗粒较大的问题。基于此，在本发明中，通过对钴基尖晶石中的A位掺杂部分稀土元素铈离子，以低成本、绿色、环保的化学试剂作燃烧剂，采用微波单模辅助低温自蔓延燃烧法工艺，制备出的催化剂具有成本低、制备工艺简单、比表面积较大、活性稳定性好的特点，是一种性能优异的低温甲烷催化材料，具有明显工业应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于低浓甲烷催化燃烧的钴基催化剂及其制备方法和应用，制得的催化剂具有成本低、制备工艺简单、比表面积较大、活性稳定性好等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于低浓甲烷催化燃烧的钴基催化剂，其主要成分是掺杂稀土元素Ce的Ni-Co基尖晶石，采用微波单模结合自蔓延燃烧法制得。

制备方法包括以下步骤：

（1）将稀土元素铈、镍和钴金属盐的前驱体溶液与燃烧剂混合；

（2）将步骤（1）所得的混合物置于微波单模仪中搅拌均匀；

（3）将步骤（2）所得的混合物烘干和焙烧。

所述的稀土元素铈、镍和钴金属盐的前驱体为氯化盐、硝酸盐或乙酸盐，优选为硝酸盐。

所述的燃烧剂为甘氨酸、尿素或柠檬酸，优选为甘氨酸。

所述的稀土元素铈、镍和钴金属盐的前驱体的摩尔比为n(Ce)：n(Ni)：n(Co)=(0.02～0.06) ：0.5：1，优选为n(Ce)：n(Ni)：n(Co)=0.05：0.5：1；所述的稀土元素铈、镍和钴金属盐的前驱体溶液的浓度为0.05-0.5 mol/L，优选为0.15 mol/L；所述的燃烧剂与三种金属元素之和的摩尔比为0.5～1.5:1，优选为0.8：1。