[发明专利]一种铜-钯-硼/生物质炭催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种煤层气氧化制甲醇铜‑钯‑硼/生物质炭催化剂制备方法及其应用。催化剂组成包括铜、钯、硼活性组分和生物质炭载体，其中铜的含量为1～10wt％，钯的含量为0.5～3wt％，硼的含量为1～10wt％，余为生物质炭载体，且铜、钯、硼活性组分掺杂嵌入生物质炭载体骨架内。本发明催化剂在用量为200～500mg、在小于320℃反应温度、空气和水蒸气混合气体氛围中可实现煤层气(甲烷)部分氧化制甲醇，并表现出良好的活性和稳定性，煤层气中甲烷转化率大于25％、甲醇选择性高于80％、甲醇产率大于20mmol·g_cat^‑1，使用寿命高于100h。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体地说涉及一种铜-钯-硼/生物质炭催化剂、制备方法及其应用，所述催化剂为一种煤层气部分制甲醇生物质炭催化剂。

背景技术

煤层气俗称瓦斯，是一种以吸附状态为主，生成并储存在煤系地层中的天然气，其主要成分是甲烷(温室气体)，煤层气是近年来新崛起的能源，国外的一些发达国家煤层气开采技术已经达到成熟，而我国地质条件复杂，煤储层具有三高一低的特点，虽然对于本层、临近层和采空区的煤层气开采已经有比较成熟的技术，但有一些关键技术仍需完善。另外我国煤层气面临透气性较差，地面开采较为困难，利用率不高，直接排空等问题，不仅造成资源浪费，而且加剧温室效应和环境压力。因此，将甲烷转化为可利用的化学衍生品是当前的迫切需求。甲醇作为多种化学品的原料，应用极为广泛，制得的产品具有相当的经济价值，利用催化技术将煤层气转化为甲醇是一种具有广泛前景的路径，开辟了资源充分利用的同时又减少了对环境的污染。

近年来，生物质作为优质可再生碳源，在非均相催化剂制备领域获得了学者的关注。以生物质为原料制备成炭载体负载活性金属已在木质素解聚、重整反应、催化氧化等反应体系中得到了初步的应用。但是，生物质炭负载活性金属催化剂的制备及其在煤层气制甲醇领域中鲜有报道。

因此，为了提高低温低浓度下甲烷制甲醇的效率，采用铜钯硼活性组分封装在以生物质衍生炭结构中的催化剂来模拟自然界中生物酶中的铜钯硼活性位点，以获得较高的甲烷转化率、甲醇选择性及较长时间的催化寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铜-钯-硼/生物质炭催化剂、制备方法及其应用。所述催化剂为一种煤层气低温部分氧化制甲醇铜-钯-硼/生物质炭催化剂。具体地，所述催化剂为一种具有高活性高选择性高稳定性的煤层气部分氧化制甲醇生物质炭催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种铜-钯-硼/生物质炭催化剂，包括作为载体的生物质炭和铜、钯、硼活性组分。

铜、钯、硼活性组分在低温下部分氧化甲烷制甲醇中具有较好的活性。钯能够快速活化甲烷，断裂一个碳氢键，形成甲基C+离子自由基。与此同时，富电子铜位点在静电力的作用下吸附稳定甲基C+离子自由基，促进产生的羟基自由基迅速结合，同时缺电子硼位点能够稳定羟基自由基，防止其进一步氧化，最终稳定的羟基自由基和甲基C+离子结合形成甲醇。

生物质炭是一种具有网状结构的含多种表面官能团天然载体，是天然的可再生载体。以生物质为原料合成生物质炭载体，不但可以保留碳载体的高水热稳定性，而且可以进一步对它的表面形貌和官能团种类、孔道结构进行优化。将活性组分铜、钯及硼封装在其骨架中，可以提供类似生物酶的配位环境来提高催化剂对甲烷转化的活性和对甲醇的选择性，同时因为活性组分在骨架中，不易因为溶出等原因失活，因此具有很高的使用寿命。

本发明公开一种铜-钯-硼/生物质炭催化剂，所述催化剂的活性组分为铜、钯和硼，负载所述活性组分的载体为生物质炭；其中，以所述催化剂的总重量计，铜的含量为1～10wt％，钯的含量为0.5～3wt％，硼的含量为1～10wt％，剩余为生物质炭载体。