CN104128173A - 低成本高性能载体催化剂及其制备方法 - Google Patents

低成本高性能载体催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固溶体载体催化剂，具体涉及一种低成本高性能载体催化剂，化学成分组成及重量含量为：氧化铈10-30份、氧化锆10-30份、氧化铝30-50份和其他稀土氧化物：1-20份；其中，其它稀土氧化物为：氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钇和氧化钐的混合物。本发明还提供其制备方法，将所有原料混合，加表面活性剂，然后调pH至8-10后得到胶状沉淀物，焙烧后得到产品。本发明克服了在铈锆载体中进行掺杂所产生的掺杂缺陷，同时大大提高载体催化剂的热稳定性和老化比表面积、储氧量等性能指标；本发明还提供其制备方法，原料价格便宜，工艺过程简单，有利于规模化工业化生产。

Description

低成本高性能载体催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种固溶体载体催化剂，具体涉及一种低成本高性能载体催化剂及其制备方法。
背景技术
氧化铈作为一种重要的催化剂载体，具有独特的储氧能力和其他优异性能。铈离子在氧化或还原气氛下发生Ce3+和Ce4+间的氧化还原反应，从而实现储氧和放氧功能，有助于实现汽车尾气等的催化转化，但纯的氧化铈在高温下极易烧结，导致储放氧能力下降，通过向氧化铈中掺杂适量的锆形成铈锆基氧化物固溶体，可以很大程度上提高氧化铈高温抗老化性和储放氧性能，因此，围绕着铈锆基氧化物固溶体的合成研究受到人们的广泛关注。但是现有的氧化铈载体催化剂存在生产成本高、粉体团聚严重、比表面积小等缺陷。
现有技术中多数以碳酸铈、氢氧化铈、氯化铈铵、四价氯化铈作为生产氧化铈的主要原料，以上这些原料存在生产成本高以及环境污染严重的缺陷，所以难于实现产业化；再有，目前多数研究仍徘徊于高压反应、微波反应以及介孔反应的领域，该实验方案存在投资大、生产成本高、危险系数高、过程控制繁琐，不易实现产业化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低成本高性能载体催化剂，克服了在铈锆载体中进行掺杂所产生的掺杂缺陷，同时大大提高载体催化剂的热稳定性和老化比表面积、储氧量等性能指标；本发明还提供其制备方法，原料价格便宜，工艺过程简单，有利于规模化工业化生产。
本发明所述的低成本高性能载体催化剂，化学成分组成及重量含量为：
氧化铈10-30份、氧化锆10-30份、氧化铝30-50份和其他稀土氧化物1-20份；
其中，其它稀土氧化物为：氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钇和氧化钐的混合物。
优选的化学成分组成及重量含量为：
氧化铈10-30份、氧化锆10-30份、氧化铝30-50份、氧化镧0.5-1份、氧化镨0.5-1份、氧化钕2-3份、氧化钇3-4份和氧化钐5-8份。
本发明选择氧化铝作为主要化学成分，因为与氧化铈、氧化锆相比，氧化铝价格低廉，但是在高温焙烧时，氧化铝会通过表面阴、阳离子空位迁移和羟基脱水发生γ→α转变，使比表面积急剧下降，导致载体催化剂失去活性。除此之外，纯的CeO2在高温下容易发生烧结、颗粒长大，导致比表面积减小，从而使储氧能力下降，并且还会和氧化铝相互作用形成CeAlO3，从而使储氧能力下降，因此改善CeO2的热稳性非常重要。本发明通过选择合适的稀土氧化物(氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钇和氧化钐)与氧化铝进行掺杂结合，在高温状态下，抑制氧化铝的物相转变，并形成钙钛矿型的REAlO3化合物，在高温反应过程中，以REAlO3作为反应核，通过界面方式牢固的锚定在Al2O3晶格的边角上，阻止了烧结和表面扩散，进一步抑制了γ相的转变。
所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氯化铈、硝酸锆、硝酸铝和其它稀土氧化物对应的盐的水溶液混合得到混合液，混合液的浓度控制在0.4-0.5mol/L，料液pH值控制在1-3之间，充分搅拌均匀；
(2)加入重量分数的为混合液的0.1-1％的表面活性剂，搅拌均匀后放置在恒温槽中静置1-2小时；
(3)在室温状态下将氨水或氢氧化钠加入步骤(2)中得到的料液中，控制pH值在8-10之间，可得到一种胶状沉淀物；
(4)将步骤(3)中得到的胶状沉淀物用去离子水进行洗涤并脱水；
(5)将步骤(4)中脱水得到的产物放到窑炉中在500-700℃条件下焙烧4-6小时，然后粉碎后得到所述的低成本高性能载体催化剂。
其中：
步骤(1)中其它稀土氧化物对应的盐为其对应的氯化盐或硝酸盐。
步骤(1)料液的pH通过添加氨水、碳酸氢铵或氢氧化钠调整。
步骤(2)中所述的表面活性剂为非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂。
非离子表面活性剂为聚乙二醇类、油酸或烷基胺类中的一种或几种。
阴离子表面活性剂为磷酸盐或磺酸盐中的一种或几种。
步骤(2)中恒温槽的温度恒定在40-50℃。
步骤(5)中粉碎后的粒径为1-5微米。
采用本发明所述的制备方法，首先使锆离子进入氧化铈的晶格并稳定其结构，限制颗粒之间的接触，从而抑制烧结并降低氧化铈的转化活性，从而使载体催化剂具有优异的比表面积和存储氧能力。
本发明制备得到的载体催化剂是以固溶体形式存在，其晶粒度为：1-10nm，经500-700℃煅烧4-6小时后的新鲜比表面积为：200-300m2/g，1000℃煅烧10小时后老化比表面积为：80-100m2/g，1100℃煅烧10小时后老化比表面积为：50-80m2/g，1200℃煅烧10小时后老化比表面积为：10-30m2/g，储氧量高于2000umol/g。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)通过优化组分和含量，克服了在铈锆载体中进行掺杂所产生的掺杂缺陷。
(2)本发明大大提高载体催化剂的热稳定性和老化比表面积、储氧量等性能指标，制备得到的载体催化剂是以固溶体形式存在，
其晶粒度为：1-10nm，经500-700℃煅烧4-6小时后的新鲜比表面积为：260-300m2/g，1000℃煅烧10小时后老化比表面积为：90-100m2/g，1100℃煅烧10小时后老化比表面积为：50-80m2/g，1200℃煅烧10小时后老化比表面积为：10-30m2/g，储氧量高于2300umol/g。
(3)原料价格便宜，工艺过程简单，有利于规模化工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
制备一种低成本高性能载体催化剂，化学成分组成及重量含量为：
氧化铈20份、氧化锆18份、氧化铝40份、氧化镧0.8份、氧化镨0.8份、氧化钕2.5份、氧化钇3.5份、氧化钐7份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将氯化铈、硝酸锆、氯化铝、氯化镧、氯化镨、氯化钕、氯化钇和氯化钐的水溶液混合得到混合液，混合液的浓度控制在0.45mol/L，通过添加氨水调整料液pH值控制在2，充分搅拌均匀；
(2)加入重量分数的为混合液的0.5％的表面活性剂(油酸)，搅拌均匀后放置在恒温槽中静置1.5小时，恒温槽的温度恒定在45℃；
(3)在室温状态下将氨水加入步骤(2)中得到的料液中，控制pH值在9，可得到一种胶状沉淀物；
(4)将步骤(3)中得到的胶状沉淀物用去离子水进行洗涤并脱水；
(5)将步骤(4)中脱水得到的产物放到窑炉中在600℃条件下焙烧5小时，然后粉碎到粒径为2微米，得到所述的低成本高性能载体催化剂。
实施例1制备得到的载体催化剂的晶粒度为：4nm，经700℃煅烧6小时后的新鲜比表面积为：300m2/g，1000℃煅烧10小时后老化比表面积为：99m2/g，1100℃煅烧10小时后老化比表面积为：80m2/g，1200℃煅烧10小时后老化比表面积为：30m2/g，储氧量2480umol/g。
实施例2
制备一种低成本高性能载体催化剂，化学成分组成及重量含量为：
氧化铈10份、氧化锆10份、氧化铝30份、氧化镧0.5份、氧化镨0.5份、氧化钕2份、氧化钇4份、氧化钐8份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将氯化铈、硝酸锆、氯化铝、氯化镧、氯化镨、氯化钕、氯化钇和氯化钐的水溶液混合得到混合液，混合液的浓度控制在0.4mol/L，通过添加碳酸氢铵调整料液pH值控制在1，充分搅拌均匀；
(2)加入重量分数的为混合液的0.1％的表面活性剂(聚乙二醇)，搅拌均匀后放置在恒温槽中静置2小时，恒温槽的温度恒定在40℃；
(3)在室温状态下将氨水加入步骤(2)中得到的料液中，控制pH值在8，可得到一种胶状沉淀物；
(4)将步骤(3)中得到的胶状沉淀物用去离子水进行洗涤并脱水；
(5)将步骤(4)中脱水得到的产物放到窑炉中在700℃条件下焙烧4小时，然后粉碎到粒径为5微米，得到所述的低成本高性能载体催化剂。
实施例2制备得到的载体催化剂的晶粒度为：4nm，经700℃煅烧6小时后的新鲜比表面积为：288m2/g，1000℃煅烧10小时后老化比表面积为：94m2/g，1100℃煅烧10小时后老化比表面积为：74m2/g，1200℃煅烧10小时后老化比表面积为：27m2/g，储氧量2360umol/g。
实施例3
制备一种低成本高性能载体催化剂，化学成分组成及重量含量为：
氧化铈30份、氧化锆30份、氧化铝50份、氧化镧1份、氧化镨1份、氧化钕3份、氧化钇3份、氧化钐5份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将氯化铈、硝酸锆、氯化铝、氯化镧、氯化镨、氯化钕、氯化钇和氯化钐的水溶液混合得到混合液，混合液的浓度控制在0.5mol/L，通过添加氢氧化钠调整料液pH值控制在3，充分搅拌均匀；
(2)加入重量分数的为混合液的1％的表面活性剂(磺酸钠)，搅拌均匀后放置在恒温槽中静置1小时，恒温槽的温度恒定在50℃；
(3)在室温状态下将氢氧化钠加入步骤(2)中得到的料液中，控制pH值在10，可得到一种胶状沉淀物；
(4)将步骤(3)中得到的胶状沉淀物用去离子水进行洗涤并脱水；
(5)将步骤(4)中脱水得到的产物放到窑炉中在500℃条件下焙烧6小时，然后粉碎到粒径为1微米，得到所述的低成本高性能载体催化剂。
实施例3制备得到的载体催化剂的晶粒度为：6nm，经700℃煅烧6小时后的新鲜比表面积为：266m2/g，1000℃煅烧10小时后老化比表面积为：91m2/g，1100℃煅烧10小时后老化比表面积为：65m2/g，1200℃煅烧10小时后老化比表面积为：25m2/g，储氧量2320umol/g。

Claims (10)

1.一种低成本高性能载体催化剂，其特征在于：化学成分组成及重量含量为：
氧化铈10-30份、氧化锆10-30份、氧化铝30-50份和其他稀土氧化物1-20份；
其中，其它稀土氧化物为：氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钇和氧化钐的混合物。
2.根据权利要求1所述的低成本高性能载体催化剂，其特征在于：化学成分组成及重量含量为：
氧化铈10-30份、氧化锆10-30份、氧化铝30-50份、氧化镧0.5-1份、氧化镨0.5-1份、氧化钕2-3份、氧化钇3-4份和氧化钐5-8份。
3.一种权利要求1或2所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将氯化铈、硝酸锆、硝酸铝和其它稀土氧化物对应的盐的水溶液混合得到混合液，混合液的浓度控制在0.4-0.5mol/L，料液pH值控制在1-3之间，充分搅拌均匀；
(2)加入重量分数的为混合液的0.1-1％的表面活性剂，搅拌均匀后放置在恒温槽中静置1-2小时；
(3)在室温状态下将氨水或氢氧化钠加入步骤(2)中得到的料液中，控制pH值在8-10之间，可得到一种胶状沉淀物；
(4)将步骤(3)中得到的胶状沉淀物用去离子水进行洗涤并脱水；
(5)将步骤(4)中脱水得到的产物放到窑炉中在500-700℃条件下焙烧4-6小时，然后粉碎后得到所述的低成本高性能载体催化剂。
4.根据权利要求3所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中其它稀土氧化物对应的盐为其对应的氯化盐或硝酸盐。
5.根据权利要求3所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)料液的pH通过添加氨水、碳酸氢铵或氢氧化钠调整。
6.根据权利要求3所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的表面活性剂为非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂。
7.根据权利要求6所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：非离子表面活性剂为聚乙二醇类、油酸或烷基胺类中的一种或几种。
8.根据权利要求6所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：阴离子表面活性剂为磷酸盐或磺酸盐中的一种或几种。
9.根据权利要求3所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中恒温槽的温度恒定在40-50℃。
10.根据权利要求3所述的低成本高性能载体催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(5)中粉碎后的粒径为1-5微米。
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