CN102000570A - 一种Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以盐酸腐蚀的堇青石蜂窝陶瓷为第一载体，铈锆复合氧化物为第二载体，以贵金属Pd为活性组分；先用浸渍法在堇青石载体上制得铈锆复合物涂层，再将该载体浸到镀液中，利用氯化钯和次亚磷酸钠的氧化还原反应和钯的自催化作用将钯直接还原在涂覆有铈锆复合物涂层堇青石蜂窝陶瓷上；该制备方法不仅可改善催化剂的储氧性能、提高耐高温性和实现纳米钯微粒在载体上均匀负载，还不会将活性位包埋，且钯的用量少，利于提高钯的利用率，工艺简单，制备周期短，生产成本较低；该方法制得的整体式催化剂具有较高的活性和稳定性，在220～300℃下可将甲苯完全催化氧化成无害的CO2和H2O。

Description

一种Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种贵金属Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂及其制备方法，该催化剂用于甲苯的催化燃烧处理。
背景技术
当今无论是在石油化工、涂料、药物合成、橡胶等生产过程，还是印刷、烤漆、电子元器件的脱脂、胶片织物涂层等工艺中，都会释放出苯、甲苯、二甲苯、醋酸乙脂、丙酮、甲醇、甲醛等含挥发性有机化合物(VOCs)(Volatile Organic Compounds)废气。这些有害气体多数易燃易爆，其大量排放不但对局部区域生态环境而且对地球环境产生了严重的影响，是引起大气光化学烟雾、温室效应和臭氧层破坏的原因之一。同时，挥发性有机废气又是危害人体健康的污染物质，常常伴随着异味、恶臭散发在空气中，对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突变。
催化燃烧法是当前处理挥发性有机废气(VOCs)最有效的方法之一，是一种高效、环保的能源利用和废气处理技术，它借助催化剂的作用使VOCs在较低的起燃温度下进行无焰燃烧分解成二氧化碳和水。
目前，催化燃烧整体式催化剂大多采用堇青石蜂窝陶瓷作为基体，堇青石蜂窝陶瓷具有低压力降、低热膨胀系数、几何表面积大、高机械强度和高抗热振荡(耐热温度1400℃)等优点；在堇青石蜂窝陶瓷表面上常涂覆涂层作为第二载体，在众多的涂层材料中，CeO2-ZrO2复合物一直是以来被人们大量研究，主要是因为该复合物表现出优秀的储氧释放性能、良好的高温热稳定性以及优异的低温催化性能。因此，CeO2-ZrO2复合氧化物被认为是目前最有潜在应用价值的涂层材料。贵金属Pd、Pt等具有高的催化活性、热稳定性好、起燃温度低以及对反应器材质等的要求比较低，因此，将这类活性组分负载在载体上具有较好的工业应用前景。贵金属活性组分负载方法常采用浸渍法，此方法制备催化剂虽然活性组分分散比较均匀，但是活性组分所需浓度大，不易控制活性组分的负载量。张庆豹等人在催化学报29(4)373～378中报道了以Ce、Zr和Pd的可溶性盐为前躯体，采用一次性同时浸渍涂覆的方法制备了Pd/Ce0.8Zr0.2O2/基底整体催化剂，主要缺点是所制备的催化剂比表面积较小，仅为5.9m2/g，而且活性组分Pd易被包埋，不利于提高钯的利用率，且钯的负载量不易控制，这点也可从它所报道的SEM图明显看到。李玉山等人在工业催化14(7)57-59中报道了在Al-Ce-Zr-Fe-Mn粉末复合氧化物上采用化学镀法制备钯粉末催化剂，应用于汽车尾气净化催化剂，但这种粉末催化剂不适合应用于直径大的整体式催化剂。李永峰等人在所申报的专利中报道了直接在堇青石蜂窝陶瓷上采用化学镀法制备铂钯粉末催化剂，应用于甲苯催化燃烧。该方法所制备的催化剂中铂钯贵金属和堇青石蜂窝陶瓷之间，缺乏储氧释放性能良好的高温热稳定性的CeO2-ZrO2复合氧化物涂层作为第二载体，在高温下易烧结，影响催化剂活性等。在专利(申请号200710029199.0)中报道了在经强碱腐蚀后的堇青石蜂窝陶瓷上进行化学镀钯，其关键步骤是将经强碱处理过的堇青石陶瓷载体先浸入到NaH2PO2还原液中一段时间，再将其浸泡到Pd的溶液中进行镀钯，重复上述操作两次，并在Pd的溶液中添加CeO2、NiCl2·6H2O粉末颗粒助剂进行改性，提高钯的吸附量和分散的均匀性。其主要缺点是CeO2颗粒在酸碱中都不溶，因此CeO2在镀液悬浮性差，易沉淀到溶液底部，且Pd易被吸附在CeO2颗粒上而共沉淀下来，造成Pd和CeO2损失，减少Pd和CeO2在堇青石陶瓷载体上的负载量；且此法也没有形成含CeO2涂层的第二载体。而本发明是先用浸渍法在经盐酸腐蚀的堇青石蜂窝陶瓷上涂覆CeO2-ZrO2涂层作为第二载体，然后采用在同一溶液中同时使用PdCl2与还原剂作为镀液进行化学镀钯，工艺更为简单，更有利于提高钯的利用率。本发明的方法制备Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂，并应用于甲苯的催化燃烧处理，尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂及其制备方法和应用，该催化剂主要用于甲苯的催化燃烧处理。
本发明采用浸渍法和化学镀法的结合来制备一种贵金属Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂，该整体式催化剂以盐酸腐蚀后的堇青石蜂窝陶瓷为第一载体，以浸渍法制备的铈锆复合氧化物为第二载体，以化学镀负载上的贵金属Pd为活性组分。其中铈锆的摩尔比为4∶1，CeO2-ZrO2涂层的负载量为1.0～6.0wt％，贵金属Pd负载量为0.06～0.6wt％，比表面积为6.56-18.23m2/g。
该发明具体制备步骤如下：
(1)对堇青石蜂窝陶瓷载体的表面预处理：将堇青石蜂窝陶瓷载体在10wt％的稀盐酸溶液中加热煮沸30分钟，取出用蒸馏水冲洗干净后120℃干燥1h；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：将Ce(NO3)3·6H2O与Zr(NO3)4·5H2O按摩尔比为4∶1混合，将金属离子总摩尔数1.2倍的柠檬酸加入到铈锆的混合溶液中，在40℃水浴下搅拌60min，然后将步骤(1)处理过的蜂窝陶瓷载体浸渍到此混合溶液中，浸渍3h，取出吹去孔中残留的溶液，自然风干，120℃干燥2h，于马弗炉中400℃焙烧1h，再重复上述过程2次，制得Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：将步骤(2)处理过的堇青石蜂窝陶瓷载体浸渍到浓度为1～10.0g/L SnCl2与30mL/L盐酸的敏化液中5～10min，取出用蒸馏水洗净；然后浸入到浓度为0.05～0.10g/L的PdCl2和1mL/L的盐酸的活化液中5～10min，取出用蒸馏水洗净；
(4)配制化学镀钯液：化学镀液由0.05～0.50g/L的PdCl2、5.0g/L的次亚磷酸钠、23mL/L的38wt％浓盐酸、80mL/L的25wt％氨水及13.5g/L的氯化铵组成；
(5)化学镀钯：把步骤(3)处理过的蜂窝陶瓷载体浸入到化学镀液中，30℃恒温加热30～60min，再40℃恒温30～60min，然后再50℃恒温30～60min，最后60℃恒温至无气泡产生，取出用蒸馏水洗净，最后在120℃干燥2h，120～900℃焙烧3h，即可得到所需的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂。
所述步骤(2)中制备CeO2-ZrO2涂层的负载量为1.0～6.0wt％。
所述步骤(5)中制备的整体式催化剂中贵金属Pd的负载量为0.06～0.60wt％。
上述所用的堇青石蜂窝陶瓷的孔密度为400孔/英寸2和孔壁厚为0.1mm的商业产品。
本发明制备的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂适用于甲苯的催化燃烧处理。
本发明具有以下突出优点和有益效果：
本发明采用浸渍法和化学镀法来制备一种贵金属Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷的整体式催化剂，以盐酸腐蚀后的堇青石蜂窝陶瓷为第一载体，铈锆复合化合物为第二载体，贵金属Pd为活性组分，该整体式催化剂不仅涂覆层牢固，而且具有较好的催化活性，良好的耐高温性和热稳定性，适合工业化推广应用。
催化燃烧法去除甲苯借助此整体式催化剂的作用使甲苯在较低的温度下进行无焰燃烧分解成二氧化碳和水，用本发明制备的催化剂可在220℃～300℃将甲苯完全转化成CO2和H2O，是一种高效、环保的废气处理技术。
本发明制备方法可提高催化剂的储氧性能、耐高温性、热稳定性和实现纳米钯微粒在载体较均匀负载，不会将活性位包埋(从附图1可以清晰地看到)，有利于提高钯的利用率，改善催化剂的催化性能。
附图说明
图1为本发明实施例4所制得Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂的SEM图。
图2为本发明制备得到的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂钯，负载量对甲苯催化燃烧转化率的影响关系图。
图3为本发明制备得到的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂，焙烧温度对甲苯催化燃烧转化率的影响关系图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举以下实施例，但并不限制本发明的范围。
实施例1
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：将孔密度为400孔/英寸2和壁厚为0.1mm的堇青石蜂窝陶瓷在10wt％稀盐酸溶液中煮沸30分钟，取出用蒸馏水冲洗干净后120℃干燥1h；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：配置0.16moL/L Ce(NO3)3·6H2O、0.04moL/L Zr(NO3)4·5H2O和0.24moL/L柠檬酸的混合溶液，在40℃水浴下搅拌60min，然后将步骤(1)处理过的蜂窝陶瓷载体浸渍到此混合溶液中，浸渍3h，取出吹去孔中残留的溶液，自然风干，120℃干燥2h，于马弗炉中400℃焙烧1h，再重复上述过程2次，制得Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：将步骤(2)处理过的堇青石蜂窝陶瓷载体浸渍到浓度为10.0g/L SnCl2与30mL/L盐酸的敏化液中10min，取出用蒸馏水洗净；然后浸入到浓度为0.10g/L的PdCl2和1mL/L的盐酸的活化液中10min，取出用蒸馏水洗净；
(4)配制化学镀钯液：化学镀液由0.10g/L的PdCl2、5.0g/L的次亚磷酸钠、23mL/L的38wt％浓盐酸、80mL/L的25wt％氨水及13.5g/L的氯化铵组成；
(5)化学镀钯：把步骤(3)处理过的蜂窝陶瓷载体浸入到化学镀液中，恒温加热30℃40min，再40℃恒温40min，然后再50℃恒温40min，最后60℃恒温至无气泡产生，取出用蒸馏水洗净，最后在120℃干燥2h，500℃焙烧3h即可得到0.06wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：将尺寸为15mm×15mm×25mm的长方体Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂切割成为为7mm×7mm×15mm长方体，然后将此催化剂装入催化反应炉中。
甲苯由一定流速的空气带人反应炉中，其浓度为4.0g/m3，空速为10000h-1。甲苯在反应物和产物中的浓度采用Agilent GC-6820型气相色谱分析仪(FID)进行分析，评价结果见附图2。
实施例2
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.10g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，可得到0.12wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图2。
实施例3
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.20g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，可得到0.24wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图2。
实施例4
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.30g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，可得到0.36wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂。
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图2。
实施例5
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.40g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，可得到0.48wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图2。
实施例6
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.50g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，可得到0.60wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图2。
实施例7
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.30g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，120℃焙烧3h即可得到0.36wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见图3。
实施例8
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.30g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，300℃焙烧3h即可得到0.36wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图3。
实施例9
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.30g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，700℃焙烧3h即可得到0.36wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图3。
实施例10
(1)蜂窝陶瓷表面预处理：按实施例1中的方法操作；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：按实施例1中的方法操作；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：按实施例1中的方法操作；
(4)配制化学镀钯液：按实施例1中的方法配制，PdCl2浓度为0.30g/L；
(5)化学镀钯：按实施例1中的方法操作，900℃焙烧3h即可得到0.36wt％Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂；
(6)整体式催化剂的催化燃烧性能评价：按实施例1中的方法操作，评价结果见附图3。

Claims (5)

1.一种Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂，其特征在于：该整体式催化剂以盐酸腐蚀后的堇青石蜂窝陶瓷为第一载体，以浸渍法制备的铈锆复合氧化物为第二载体，以化学镀负载上的贵金属Pd为活性组分。
2.一种权利要求1所述的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对堇青石蜂窝陶瓷载体的表面预处理：将堇青石蜂窝陶瓷载体在10wt％的稀盐酸溶液中加热煮沸30分钟，取出用蒸馏水冲洗干净后120℃干燥1h；
(2)浸渍法制备铈锆复合物：将Ce(NO3)3·6H2O与Zr(NO3)4·5H2O按摩尔比为4：1混合，将金属离子总摩尔数1.2倍的柠檬酸加入到铈锆的混合溶液中，在40℃水浴下搅拌60min，然后将步骤(1)处理过的堇青石蜂窝陶瓷载体浸渍到此混合溶液中，浸渍3h，取出吹去孔中残留的溶液，自然风干，120℃干燥2h，于马弗炉中400℃焙烧1h，再重复上述过程2次，制得Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体；
(3)Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷载体的敏化和活化处理：将步骤(2)处理过的堇青石蜂窝陶瓷载体浸渍到浓度为1～10.0g/L SnCl2与30mL/L盐酸的敏化液中5～10min，取出用蒸馏水洗净；然后浸入到浓度为0.05～0.10g/L的PdCl2和1mL/L的盐酸的活化液中5～10min，取出用蒸馏水洗净；
(4)配制化学镀钯液：化学镀液由0.05～0.50g/L的PdCl2、5.0g/L的次亚磷酸钠、23mL/L的38wt％浓盐酸、80mL/L的25wt％氨水及13.5g/L的氯化铵组成；
(5)化学镀钯：把步骤(3)处理过的堇青石蜂窝陶瓷载体浸入到化学镀液中，30℃恒温加热30～60min，再40℃恒温30～60min，然后再50℃恒温30～60min，最后60℃恒温至无气泡产生，取出用蒸馏水洗净，最后在120℃干燥2h，120～900℃焙烧3h，即可得到所需的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中制备CeO2-ZrO2涂层的负载量为1.0～6.0wt％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中制备的整体式催化剂中贵金属Pd的负载量为0.06～0.60wt％。
5.权利要求2所述制备方法制备的Pd/Ce0.8Zr0.2O2/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂适用于甲苯的催化燃烧处理。
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