CN102451683A - 一种贵金属催化剂及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种贵金属催化剂及其制备和应用。该催化剂以TiO2改性的Al2O3为载体、VIII族贵金属为活性组分，能够显著改善氧化铝的高温热稳定性、降低N2O分解起始反应温度，满足N2O分解较高的低温活性和高温热稳定性要求。本发明催化剂原料易得，工艺简单，具有很好的应用前景。

Description

一种贵金属催化剂及其制备和应用
技术领域
本发明涉及一种用于氧化亚氮分解的TiO2促进Ir/Al2O3催化剂及制备和应用，具体的说，该催化剂以TiO2改性Al2O3为载体、贵金属Ir、Pb、Pt、Rh为活性组分，能在较低温度起始分解N2O反应并能降低完全分解温度。
背景技术
氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体，其在大气中的含量为319ppbv，在温室气体中排在第三位，次于CO2和CH4，但是从温室效应来看，它的温室效应分别是CO2和CH4的310倍和21倍，如果以目前的年增速度(0.18-0.26％)增加，50年之后，N2O的温室效应就会等于CO2的温室效应。此外，N2O是平流层中NOx的主要来源，可发生自由基反应破坏臭氧层，而臭氧层有很强的吸收太阳光中紫外线的能力，能够阻止紫外线对人类的照射，保护人类的安全。最近十余年，随着人们环保意识的不断增强，越来越多的学者开始寻求有效控制N2O向大气排放的方法。其中，在较高温度下直接分解来自氨转换炉等的废气N2O就是一条比较经济、有效的消除方法，该法对催化剂的活性、寿命、高温热稳定性等提出了较高的要求。
近年来，N2O作为新型绿色推进剂在航天领域受到了高度重视。N2O是一种独特优越的推进剂：首先，N2O具有较高的贮存密度(745kg/m3)，能够以气体或液体形式长期贮存；其次，具有很高的饱和蒸气压(52atm，20℃)，液态或气态N2O可以依靠自身的蒸气压排出贮存系统，实现自增压，不需要增压设备而使推进系统大大简化；再次，无毒，并且与通用结构材料相容性好，便于系统设计和研制。更为重要的是，N2O可实现多种模式推进：依靠自身蒸气压将N2O气体直接喷出而产生推力的冷气推进(可用于姿态控制)；N2O经催化分解产生高温混合气体(63.7％N2+36.3％O2)的单组元推进(用于轨道保持)；以N2O催化分解产生的高温富氧燃气为氧化剂，与燃料二次点火燃烧的双组元推进(用于变轨)。N2O这种独特的自增压式多模推进兼具冷气、单组元和双组元的比冲特征，推力范围宽，简单灵活，是目前其它推进剂技术所无法比拟的。
N2O分解是实现N2O消除和N2O推进的前提和基础。N2O分解反应方程式为：
N2O(g)→N2(g)+1/2O2(g)(ΔH°R＝-82.5kJ/mol)
反应放热强烈，纯N2O绝热分解温度高达1640℃；热分解反应活化能很高，600℃以下几乎检测不到N2O分解。采用催化剂技术，可以改变反应路径、使N2O在较低的温度下分解、提高反应速度。因此，N2O催化分解是N2O推进的基础和关键技术之一，直接决定这种新概念航天推进技术的工程可行性。
总之，无论是在环保领域还是作为航天推进剂使用，良好的低温活性和高温热稳定性都是对N2O分解催化剂的基本要求。
N2O分解催化剂已经得到广泛的研究，大致可以分作以下几类，即：(1)单组分氧化物；(2)复合金属氧化物；(3)分子筛催化剂；(4)负载型贵金属催化剂。前两类催化剂注重探讨催化分解N2O的机理，后两类催化剂则偏重N2O分解活性。
就载体本身而言，掺杂结构稳定剂到贵金属基催化剂是一种有效改善催化剂活性和稳定性的方法。很多文献已有报道，如掺杂氧化镧到Pd/Al2O3催化剂(Applied Catalysis B：Environmental，2005.56(4)：p.279-288)提高了用氢气还原NO的催化活性；掺杂碱金属到Rh/γ-Al2O3体系可以提高贵金属Rh的分散(Catalysis Today，2004.90(1-2)：p.15-19；Applied Catalysis B：Environmental，2008.77(3-4)：p.278-283)，进而提高催化活性；Ba的引入可以提高Pt-Ba-γ-Al2O3的NOx储存和还原活性和选择性(Applied Catalysis B：Environmental，2008.80(3-4)：p.214-225.)。然而TiO2掺杂的Al2O3基催化剂却很少被研究，尤其应用于N2O分解反应。Lin and Macleod et al.(AppliedCatalysis B：Environmental，2004.50：p.59-66；Journal of Catalysis，2004.221)报道了TiO2促进的Al2O3负载的Pd催化剂对甲烷催化氧化反应活性的影响，也有研究了Cu、Ni、Ag(Applied Catalysis A：General 239，2003.239：p.279-286；Applied Catalysis A：General，2003.253：p.151-163；AppliedCatalysis B：Environmental，2008.80(3-4)：p.202-213)担载在TiO2促进的氧化铝催化剂上催化性能的影响，但目前还没有应用于N2O分解反应的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TiO2掺杂的Al2O3担载的贵金属催化剂及制备和应用，其具有较高的低温起始分解反应活性和较好的热稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种贵金属催化剂，该催化剂由载体和活性组分两部分构成，以TiO2促进的Al2O3为载体，活性组分为VIII族贵金属。
所述活性组分为铱、钯、铂和铑中的一种或一种以上，其中活性金属于催化剂中的质量百分含量为1-20％；所述TiO2促进Al2O3载体中钛与铝的摩尔比值为0.2-4。
所述催化剂的制备：
1)浸渍法制备TiO2促进Al2O3载体
所述TiO2促进Al2O3载体采用浸渍法制备获取，具体为：按预定摩尔比的铝和钛前躯体混合溶于水和C1-C3醇溶液(例如：甲醇、乙醇、丙醇)的一种或多种溶剂中，将此混合液超声分散后室温静置≥12小时，后放入80-120℃烘箱干燥，再采用600-1200℃煅烧2-5h，获得载体；所述高温焙烧的载体能产生纳米尺度的粗糙表面和纳米聚集体，能阻止活性组分的流动和烧结；
2)浸渍法制备催化剂
按所需担量，采用浸渍方法将贵金属前躯体负载到步骤1)所制得的载体上，室温静置≥12小时后放入80-120℃烘箱干燥，再于400-600℃煅烧2-5h，获得催化剂。
所述贵金属前躯体为氯铱酸、氯化钯、氯铂酸、三氯化铑中的一种或多种；所述铝前躯体为硝酸铝或氯化铝；所述钛前躯体为P25。
所述催化剂用于氧化亚氮分解反应，能在较低温度起始分解N2O反应并能降低完全分解温度；所述催化剂能使N2O高效分解，所述900℃煅烧的载体浸渍贵金属后获得的催化剂可在300℃达到80％的转化，起始分解温度低于300℃，可达250℃，并且在350℃达到100％转化率。
所述催化剂应用时的反应气氛中N2O的体积含量是30％，其余为惰性气体Ar气。
所述催化剂在进行催化反应之前需要经过预处理，该过程为400℃条件下氢气还原0.5h后Ar气吹扫0.5h降到室温开始程序升温反应测试。
反应活性评价：称取0.1g上述所获得的催化剂在氢气氛下，400℃还原0.5h再Ar气吹扫0.5h降到室温，开始程序升温测试。气体组成为30％N2O+70％Ar，总流量为50ml/min(STP)。
本发明催化剂载体具有特殊的表面结构和形貌，担载贵金属之后可以高度分散贵金属，具有反应活性高和热稳定性的特点，它能够极大的降低起始分解反应温度，并且即使载体经过高温煅烧，浸渍贵金属之后依然能提高其起始分解反应活性和降低完全转化温度。这不仅改善了N2O分解反应所需要的低温起始反应分解的要求，而且还能保证高温下性能的稳定。本发明催化剂原料易得，工艺简单，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例13及比较实施例3、5制备催化剂的XRD图。
图2为本发明实施例15制备催化剂的XRD图。
图3为本发明实施例14及比较实施例4、6制备催化剂的程序升温反应结果比较图。
图4为本发明实施例16制备催化剂的程序升温反应结果比较图。
具体实施方式
以下实例用于更详细地说明本发明，但本发明并不限于此。
实施例1
浸渍方法制备促进的氧化物载体(记为AlTix，x为钛与铝的摩尔比)。
称量带9个结晶水的硝酸铝3.75g溶于8ml体积比为1∶1的乙醇水溶液中，分别称取钛与铝摩尔比为1的P25加入该溶液中，超声10min后室温静置过夜，再放入80℃烘箱干燥后，900℃煅烧3h，获得促进的氧化物载体。记为AlTi1。
实施例2
固定摩尔比氧化钛促进的Al2O3载体(记为AlTi-T，T为煅烧温度)。
称量带9个结晶水的硝酸铝3.75g溶于8ml体积比为1∶1的乙醇水溶液中，分别称取钛与铝摩尔比为1的P25加入该溶液中，超声10min后室温静置过夜，再放入80℃烘箱干燥后，900℃煅烧3h，获得摩尔比为1∶1氧化钛促进的氧化铝载体。记为AlTi-900。
实施例3
与实施例1相比较，不同的是钛与铝摩尔比值为0.2，其他物料用量和操作条件与实施例1相同。
实施例4
与实施例1相比较，不同的是钛与铝摩尔比值为0.4，其他物料用量和操作条件与实施例1相同。
实施例5
与实施例1相比较，不同的是钛与铝摩尔比值为0.6，其他物料用量和操作条件与实施例1相同。
实施例6
与实施例1相比较，不同的是钛与铝摩尔比值为0.8，其他物料用量和操作条件与实施例1相同。
实施例7
与实施例1相比较，不同的是钛与铝摩尔比值为2，其他物料用量和操作条件与实施例1相同。
实施例8
与实施例1相比较，不同的是钛与铝摩尔比值为4，其他物料用量和操作条件与实施例1相同。
实施例9
与实施例2相比较，不同的是煅烧温度为600℃，其他物料用量和操作条件与实施例2相同。
实施例10
与实施例2相比较，不同的是煅烧温度为800℃，其他物料用量和操作条件与实施例2相同。
实施例11
与实施例2相比较，不同的是煅烧温度为1000℃，其他物料用量和操作条件与实施例2相同。
实施例12
与实施例2相比较，不同的是煅烧温度为1200℃，其他物料用量和操作条件与实施例2相同。
实施例13
浸渍实施例1、3-8获得的载体，制备系列催化剂Ir/AlTix(x为钛与铝的摩尔比)。
称取稀释的含铱2.3wt％质量分数的氯铱酸水溶液1.14g七份，各加入0.5g实施例1、3-8制备的载体，室温静置过夜，后放入80℃烘箱，干燥24h后，在马弗炉中500℃煅烧2h，获得催化剂。XRD结果如图1所示，该系列Ir/AlTix催化剂上没有明显的IrO2的衍射峰，可以推断出IrO2在该系列催化剂上粒子可能小于3nm，具有较好的分散度。
实施例14
实施例13所获得的催化剂的活性评价。
称取0.1g实施例13所获得的催化剂，在氢气氛下400℃还原0.5h再Ar气吹扫0.5h降到室温后，开始程序升温测试。气体组成为30％N2O+70％Ar，总流量为50ml/min(STP)。具体结果如图3所示，该催化剂在300℃-400℃范围内具有较高的N2O转化效率。
实施例15
浸渍法实施例2、9-12获得的载体，制备系列催化剂Ir/AlTi-T(T为载体煅烧温度)。
称取稀释的含铱2.3wt％质量分数的氯铱酸水溶液1.14g七份，各加入0.5g实施例1、3-8制备的载体，室温静置过夜，后放入80℃烘箱，干燥24h后，在马弗炉中500℃煅烧2h，获得催化剂。XRD结果示于图2，从图中可以看到，即使载体经过1200℃煅烧浸渍贵金属后并没有任何贵金属的衍射峰，可以推断出载体能够较好的抑制贵金属的烧结，使得贵金属具有较小的粒径，提高了催化剂的稳定性。
实施例16
与实施例14相比较，不同的是催化剂采用实施例15中获得的催化剂，其他物料用量和操作条件与实施例14相同。具体结果如图4所示，即使经过1200℃煅烧后，催化剂依然能获得较好的活性，在300℃能够起始分解反应。
实施例17
与实施例13相比较，不同的是浸渍贵金属前驱体为氯化钯、氯铂酸、三氯化铑，其他物料用量和操作条件与实施例13相同。
实施例18
与实施例13相比较，不同的是浸渍稀释的2.3wt％质量分数的氯铱酸水溶液分别为0.456g、2.28g、3.42g、4.56g，其他物料用量和操作条件与实施例13相同。
比较实施例1
制备Al2O3载体。
将3.75g带9个结晶水的硝酸铝加入8ml体积比为1∶1的乙醇水溶液中，超声10min后室温静置过夜，再放入80℃烘箱干燥，后900℃煅烧3h，获得Al2O3。
比较实施例2
超声混合方法制备TiO2载体。
将0.8g P25加入8ml体积比为1∶1的乙醇水溶液中，超声10min后室温静置过夜，再放入80℃烘箱干燥，再900℃煅烧3h，获得TiO2。
比较实施例3
浸渍比较实施例1所获得的载体制备催化剂Ir/Al2O3。
称取稀释的含铱2.3wt％质量分数的氯铱酸水溶液1.14g，加入0.5g比较实施例1制备的载体，室温静置过夜后，放入80℃烘箱，干燥24h后，在马弗炉中500℃煅烧2h，获得催化剂。XRD结果如图1所示，可以明显的看到贵金属衍射峰，这说明贵金属在该Al2O3载体上发生了烧结。
比较实施例4
比较实施例3获得的催化剂的活性评价。
称取0.1g比较实施例3所获得的催化剂，在氢气氛下400℃还原0.5h再Ar气吹扫0.5h降到室温后，开始程序升温测试。气体组成为30％N2O+70％Ar，总流量为50ml/min(STP)。具体结果如图3所示，该催化剂在350℃-450℃范围内具有N2O转化效率。
比较实施例5
浸渍比较实施例2所获得的载体制备催化剂Ir/TiO2
称取稀释的含铱2.3wt％质量分数的氯铱酸水溶液1.14g，加入0.5g比较实施例1制备的载体，室温静置过夜后，放入80℃烘箱，干燥24h后，在马弗炉中500℃煅烧2h，获得催化剂。XRD结果如图1所示，可以看到明显的贵金属衍射峰，这说明贵金属在该TiO2载体上发生了烧结。
比较实施例6
与比较实施例4相比较，不同的是催化剂采用比较实施例5中获得的催化剂，其他物料用量和操作条件与比较实施例4相同。具体结果如图3所示。

Claims (8)

1.一种贵金属催化剂，其特征在于：该催化剂由载体和活性组分两部分构成，以TiO2促进的Al2O3为载体，活性组分为VIII族贵金属。
2.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述活性组分为铱、钯、铂和铑中的一种或一种以上，其中活性金属于催化剂中的质量百分含量为1-20％。
3.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于：
所述TiO2促进Al2O3载体中钛与铝的摩尔比值为0.2-4。
4.按照权利要求1所述的催化剂，其特征在于：
所述TiO2促进Al2O3载体采用浸渍法制备获取，具体为：按预定摩尔比的铝和钛前躯体混合溶于水和/或C1-C3的醇溶液中，将此混合液超声分散后室温静置≥12小时，后放入80-120℃烘箱干燥，再采用600-1200℃煅烧2-5h，获得载体。
5.一种权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：
1)浸渍法制备TiO2促进Al2O3载体
所述TiO2促进Al2O3载体采用浸渍法制备获取，具体为：按预定摩尔比的铝和钛前躯体混合溶于水和C1-C3醇溶液的一种或多种溶剂中，将此混合液超声分散后室温静置≥12小时，后放入80-120℃烘箱干燥，再采用600-1200℃煅烧2-5h，获得载体；所述高温焙烧的载体能产生纳米尺度的粗糙表面和纳米聚集体，能阻止活性组分的流动和烧结；
2)浸渍法制备催化剂
按所需担量，采用浸渍方法将贵金属前躯体负载到步骤1)所制得的载体上，室温静置≥12小时后放入80-120℃烘箱干燥，再于400-600℃煅烧2-5h，获得催化剂。
6.按照权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述贵金属前躯体为氯铱酸、氯化钯、氯铂酸、三氯化铑中的一种或多种；所述铝前躯体为硝酸铝或氯化铝；所述钛前躯体为P25。
7.一种权利要求1所述催化剂用于氧化亚氮分解反应，能在较低温度起始分解N2O反应并能降低完全分解温度。
8.按照权利要求1所述催化剂的应用，其特征在于：所述催化剂能使N2O高效分解，300℃达到80％的转化，起始分解温度低于300℃，可达250℃，并且在350℃达到100％转化率。
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