CN103372447A - 一种高比表面积钙钛矿催化剂LaCo0.9Mg0.1O3及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种催化甲烷氧化燃烧钙钛矿催化剂及制备方法。所述的用于甲烷催化燃烧的钙钛矿催化剂的结构式为LaCo0.9Mg0.1O3,其制备过程:以镧、钴和镁的硝酸盐及甘氨酸为原料,制备镁和镧的原料比为0.1~3的溶液,于80℃下搅拌直至溶液蒸发至胶状,前躯体于温度400℃预锻烧,最后在温度700℃锻烧即得预产品,将预产品于0.4mol/L的醋酸溶液中搅拌1h,去除产物中多余的MgO,将产物用去离子水离心、洗涤、干燥即得到具有高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3催化剂。本发明优点是操作简单,成本低廉,合成的催化剂比表面积较高,对甲烷的催化燃烧具有很好的活性。
Description
技术领域:
本发明涉及一种具有较高比表面积的钙钛矿催化剂的制备方法,具体涉及到以甘氨酸硝酸盐法合成具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3催化剂的方法,应用于甲烷催化燃烧方面,属于催化技术与环境保护领域。
背景技术
随着全球经济的飞速发展以及人口的迅速增长,能源短缺和环境污染逐渐成为人类面临的严峻问题。目前以煤炭、石油等为代表的化石燃料储量有限且不可再生,人类就把关注的重点放在寻找替代能源上。天然气(主要成分为CH4)以储量丰富,价格低廉,热效率高,污染小,使用方便等优点被认为是21世纪的主要能源之一。但是甲烷在燃烧过程中反应温度过高,使空气中的氮气氧化而产生NOX,且甲烷未燃烧完全产生的CO会造成严重的环境污染,甲烷的温室效应比二氧化碳要高出一个数量级,加剧大气温室效应。
甲烷催化燃烧材料主要分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂。贵金属催化剂主要是以Pd、Pt为主要成分,采用多次浸渍法进行制备,代表性专利如CN1342520A、CN1385239A、CN1413769A、CN1502410A、CN1511621A等。该类催化剂的制备工艺较为复杂,低温活性不够理想,而且价格昂贵,且高温条件下容易烧结。非贵金属催化剂主要是钙钛矿型稀土复合氧化物,此材料是一类具有多种物理性能的新型无机非金属材料,其价格低廉、高温稳定性好、催化活性高、耐氧化能力强、较高的电子导电性及氧缺陷等优点被广泛应用于甲烷的催化燃烧领域。
文献[1]Applied Catalysis B:Environmental 98(2010)147-153中Z.M.Gao等人利用尿素燃烧法合成了La1-xSrxCoO3-δ系列催化剂,并对甲烷的催化燃烧进行了研究。在最佳Sr掺杂比例为0.1,最佳煅烧温度为700℃时,对甲烷的催化燃烧具有较好的催化活性,但此法合成的催化剂的比表面积较低,仅有10m2/g,仍需进一步提高其比表面积来提高催化剂的催化活性。
文献[2]Applied Catalysis B:Environmental 94(2010)27-37中X.Wei等利用超声喷雾燃烧法合成了LaMnO3用于甲烷的催化燃烧研究,此法合成的LaMnO3具有较高的比表面积,对甲烷具有较好的催化活性,在650℃时甲烷的转化率即可达到100%,但是此法对仪器的要求较高,一般很难达到,不适合规模性合成。
文献[3]Applied Catalysis A:General 335(2008)28-36中B.Kucharczyk等利用柠檬酸溶胶凝胶法合成了Ag部分取代的La1-xAgxMnO3并研究了其对甲烷的催化活性。研究结果表明Ag的部分取代可以提高LaMnO3对甲烷的催化活性,750℃时甲烷的转化率达到98.9%,其活性与同类催化剂相比还有一定的差距。
本发明提供了一种制备高比表面积的钙钛矿的方法,制备方法简单,对仪器的要求较低,制备的催化剂对甲烷具有很好的催化活性。
发明内容
本发明提供一种具有高比表面积的钙钛矿催化剂的制备方法及应用于甲烷催化氧化领域。该方法制备过程简单,制得的LaCo0.9Mg0.1O3钙钛矿催化剂用于催化甲烷燃烧性能好,价格低廉。
具体制备步骤如下:
(1)按照La∶Co∶Mg的摩尔比为1∶0.9∶0.1~3称取La(NO3)3、Co(NO3)2、Mg(NO3)2,将其溶于去离子水中配成0.33~0.81mol/L溶液A,再按照总金属阳离子与甘氨酸的摩尔比为3∶8,称取甘氨酸并将其加入到溶液A中,搅拌使其完全溶解形成溶液B,在温度80℃下在水浴中搅拌蒸干至溶胶状态;
(2)将步骤(1)制得的溶胶置于烘箱中在温度105℃下进行干燥得前驱体,将前驱体先在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度400℃焙烧4h,再将焙烧后的前驱体在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度700℃焙烧4h,得到钙钛矿粉末;
(3)将步骤(2)制得钙钛矿粉末加入到浓度为0.4mol/L的醋酸溶液中,磁力搅拌1h,去除多余的氧化镁固体,将得到样品用去离子水洗涤,离心机离心,放入80℃烘箱中干燥12h,即得具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3钙钛矿型催化剂。
本发明制备方法所得钙钛矿型复合氧化物的结构和组成通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、比表面积及介孔/微孔分析仪(BET)等分析表征得到确证。
图1(a)、1(b)、1(c)、1(d)为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品的扫描电镜照片。从图中可以看到随着反应中加入Mg的量的增加,生成的钙钛矿的粒径逐渐减小。我们认为这是由于在反应过程中多余的Mg生成了MgO,MgO生成的同时阻止了钙钛矿晶粒的生长,MgO的含量越多制备的钙钛矿的粒径越小。
图2为用此方法制备的钙钛矿型氧化物LaCo0.9Mg0.1O3的X-射线衍射(XRD)图,从图上可以明显的看到,所有实施例的样品均为LaCo0.9Mg0.1O3,我们认为一定浓度的醋酸可以去除钙钛矿中多余的MgO而不会破坏钙钛矿原有的结构。
图3为图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)分别为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品的XPS的O1s谱图。从谱图中可以得到吸附氧与晶格氧的比例关系,随着加入Mg含量的增加,钙钛矿粒径的减小,其吸附氧与晶格氧的比例逐渐增加。我们认为吸附氧与晶格氧的比例决定了钙钛矿对甲烷的催化活性,所以实施例1-4中,钙钛矿的催化效果逐渐增强(参见图4)。
本发明的有益效果
1.本发明所采用的制备方法新颖,且过程简单、易于操作,容易实现规模化生产。
2.本发明所制备的钙钛矿型复合氧化物催化剂LaCo0.9Mg0.1O3具有较高的比表面积,对甲烷的催化燃烧具有很高的反应活性。当La∶Mg=1∶3时,合成催化剂的比表面积高达21.5m2/g,甲烷转化率为50%和90%时的温度分别为495.6℃和590.2℃。
附图说明
图1是所制得的钙钛矿型氧化物LaCo0.9Mg0.1O3样品的SEM照片,其中图1(a)、1(b)、1(c)、1(d)分别为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品的SEM照片。
图2是所制得的钙钛矿型氧化物LaCo0.9Mg0.1O3的X-射线衍射(XRD)图
图3是所制得的钙钛矿型氧化物LaCo0.9Mg0.1O3的X射线光电子能谱(XPS)图,其中图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)分别为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品的XPS的O1s谱图。
图4是所制得的钙钛矿型氧化物LaCo0.9Mg0.1O3对甲烷催化性能评价图
具体实施方式
实施例1:称取2.165g La(NO3)3·6H2O,1.31g Co(NO3)3·6H2O和0.128g Mg(NO3)2·6H2O溶于30mL去离子水中,向其中加入0.2甘氨酸,磁力搅拌1h后,形成均一溶液。将上述溶液置于80℃水浴中搅拌蒸干至溶胶状态;置于105℃烘箱中干燥得前驱体,将前驱体先在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度400℃焙烧4h,再将焙烧后的前驱体在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度700℃焙烧4h,得到钙钛矿粉末;将得到的钙钛矿粉末加入到浓度为0.4mol/L的醋酸溶液中,磁力搅拌1h,去除多余的氧化镁固体,将得到样品用去离子水洗涤,离心机离心,放入80℃烘箱中干燥12h,即得具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3钙钛矿型催化剂。
制得的样品比表面积为11.4m2/g。经XRD(参见图2)表征,本实施例所得钙钛矿复合氧化物为LaCo0.9Mg0.1O3,由谢乐公式计算的此催化剂的粒径为29.3nm。
催化剂LaCo0.9Mg0.1O3(La∶Co∶Mg=1∶0.9∶0.1)对甲烷催化性能的活性评价:
催化剂对甲烷催化的活性评价是在固定床石英反应器中进行的,石英管内径6mm,长40cm。采用电炉程序升温加热,程序升温控制仪控制升温速度。进样气氛组成为甲烷和空气CH4含量3.0%,空气为平衡气。混合气体流量为25ml/min,催化剂质量为50mg,WHSV为30000ml/g.h。氢火焰检测器,5A分子筛的色谱柱检测CH4的含量。
实施例1制得的催化剂对甲烷具有很好的催化活性(参见附图4),其转化率为50%和90%时的温度分别为563.6℃和641.0℃。
实施例2:称取2.165g La(NO3)3·6H2O,1.31g Co(NO3)3·6H2O和1.28g Mg(NO3)2·6H2O溶于30mL去离子水中,向其中加入2g甘氨酸,磁力搅拌1h后,形成均一溶液。将上述溶液置于80℃水浴中搅拌蒸干至溶胶状态;置于105℃烘箱中干燥得前驱体,将前驱体先在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度400℃焙烧4h,再将焙烧后的前驱体在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度700℃焙烧4h,得到钙钛矿粉末;将得到的钙钛矿粉末加入到浓度为0.4mol/L的醋酸溶液中,磁力搅拌1h,去除多余的氧化镁固体,将得到样品用去离子水洗涤,离心机离心,放入80℃烘箱中干燥12h,即得具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3(La∶Co∶Mg=1∶0.9∶1)钙钛矿型催化剂。
制得的样品比表面积为14.2m2/g。经XRD(参见图2)表征,本实施例所得钙钛矿复合氧化物为LaCo0.9Mg0.1O3,由谢乐公式计算的此催化剂的粒径为21.7nm。
催化剂对甲烷催化性能的评价同实施例1,从附图4可以看出,实施例2制得的催化剂对甲烷的催化氧化具有很高的活性,其转化率为50%和90%时的温度分别为525.5℃和613.9℃
实施例3:称取2.165g La(NO3)e3·6H2O,1.31g Co(NO3)3·6H2O和2.56g Mg(NO3)2·6H2O溶于30mL去离子水中,向其中加入1.46g甘氨酸,磁力搅拌1h后,形成均一溶液。将上述溶液置于80℃水浴中搅拌蒸干至溶胶状态;置于105℃烘箱中干燥得前驱体,将前驱体先在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度400℃焙烧4h,再将焙烧后的前驱体在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度700℃焙烧4h,得到钙钛矿粉末;将得到的钙钛矿粉末加入到浓度为0.4mol/L的醋酸溶液中,磁力搅拌1h,去除多余的氧化镁固体,将得到样品用去离子水洗涤,离心机离心,放入80℃烘箱中干燥12h,即得具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3(La∶Co∶Mg=1∶0.9∶2)钙钛矿型催化剂。
制得的样品比表面积为17.8m2/g。经XRD(参见图2)表征,本实施例所得钙钛矿复合氧化物为LaCo0.9Mg0.1O3,由谢乐公式计算的此催化剂的粒径为16.5nm。
催化剂对甲烷催化性能的评价同实施例1,从附图4可以看出,实施例3制得的催化剂对甲烷的催化氧化具有很高的活性,其转化率为50%和90%时的温度分别为495.6℃和590.2℃
实施例4:称取2.165g La(NO3)3·6H2O,1.31g Co(NO3)3·6H2O和3.84g Mg(NO3)2·6H2O溶于30mL去离子水中,向其中加入1.84g甘氨酸,磁力搅拌1h后,形成均一溶液。将上述溶液置于80℃水浴中搅拌蒸干至溶胶状态;置于105℃烘箱中干燥得前驱体,将前驱体先在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度400℃焙烧4h,再将焙烧后的前驱体在马弗炉中以3℃/min的升温速率升至温度700℃焙烧4h,得到钙钛矿粉末;将得到的钙钛矿粉末加入到浓度为0.4mol/L的醋酸溶液中,磁力搅拌1h,去除多余的氧化镁固体,将得到样品用去离子水洗涤,离心机离心,放入80℃烘箱中干燥12h,即得具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3(La∶Co∶Mg=1∶0.9∶3)钙钛矿型催化剂。
制得的样品比表面积为21.5m2/g。经XRD(参见图2)表征,本实施例所得钙钛矿复合氧化物为LaCo0.9Mg0.1O3。由谢乐公式计算的此催化剂的粒径为13.8nm。
催化剂对甲烷催化性能的评价同实施例1,从附图4可以看出,实施例4制得的催化剂对甲烷的催化氧化具有很高的活性,其转化率为50%和90%时的温度分别为479.9℃和582.5℃。
Claims (2)
1.一种高比表面积钙钛矿催化剂LaCo0.9Mg0.1O3的制备方法,所述的钙钛矿的分子式为LaCo0.9Mg0.1O3,加入的镁镧比为0.1~3,其特征在于,用一定浓度的酸除去产品中多余的氧化物,制备得到组成单一的钙钛矿型催化剂,与同类方法相比,此方法合成的钙钛矿型催化剂具有较小的粒径以及较高的比表面积,对甲烷的催化燃烧具有很好的催化活性。其具体制备步骤如下:
(1)按照La∶Co∶Mg的摩尔比为1∶0.9∶0.1~3称取La(NO3)3、Co(NO3)2、Mg(NO3)2,将其溶于去离子水中配成0.33~0.81mol/L溶液A,再按照总金属阳离子与甘氨酸的摩尔比为3∶8,称取甘氨酸并将其加入到溶液A中,搅拌使其完全溶解形成溶液B,在温度60~80℃下在水浴中搅拌蒸干至溶胶状态;
(2)将步骤(1)制得的溶胶置于烘箱中在温度80~105℃下进行干燥得前驱体,将前驱体先在马弗炉中以1~3℃/min的升温速率升至温度350~400℃焙烧3~4h,再将焙烧后的前驱体在马弗炉中以3~5℃/min的升温速率升至温度700~800℃焙烧4~8h,得到钙钛矿粉末;
(3)将步骤(2)制得钙钛矿粉末加入到浓度为0.2~0.4mol/L的醋酸溶液中,磁力搅拌1~3h,去除多余的氧化镁固体,将得到样品用去离子水洗涤,离心机离心,放入60~80℃烘箱中干燥8~12h,即得具有较高比表面积的LaCo0.9Mg0.1O3钙钛矿型催化剂。
2.一种按权利要求1所述方法制备的LaCo0.9Mg0.1O3(La∶Co∶Mg=1∶0.9∶0.1~3)钙钛矿催化剂的应用于甲烷的催化氧化燃烧反应,其特征在于包括以下过程:催化剂质量为50mg,气氛组成为甲烷和空气,CH4含量3.0%,空气为平衡气。在气体流量25ml/min,WHSV为30000ml/g.h的条件下,甲烷的转化率为90%时的温度为580℃~640℃。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131030 |