CN106732499B - 一种整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括：将蜂窝状载体浸渍在铝溶胶中，取出后清除表面多余铝溶胶，干燥，在温度为800‑1200℃下焙烧，使在蜂窝状载体上形成一至少具有δ‑相、θ‑相和α‑晶相中任一种晶相的氧化铝膜层；整体式甲烷燃烧催化剂为氧化铝膜层载体与活性组分制备而成。本发明制备的整体式催化剂催化性能高，且使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷燃烧催化剂领域，具体涉及一种整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法。
背景技术
随着工业应用的复杂性，以及工业上排放低浓度、大风量甲烷等气体排放的特点，对甲烷燃烧催化剂的要求也越来越高。然而目前整体式甲烷燃烧催化剂制备方法较多，主要分为以下四种：(1)整体成型技术，即钙钛矿型活性组分与粘结剂混合，通过挤压整体成型呈蜂窝结构，然而钙钛矿本身不是黏土材料，其与粘结剂结合时强度较低，易破碎，导致催化剂耗费量大；(2)蜂窝载体的溶液浸渍法，在专利CN1058357，《钙钛矿型稀土复合氧化物燃烧催化剂》中公开了选取堇青石基蜂窝载体，将堇青石基蜂窝载体直接浸渍到金属离子的硝酸盐溶液中，但因其表面吸附的活性金属离子，在焙烧过程中载体本身的金属离子易于活性金属离子发生反应，形成尖晶石型稳定化物，导致钙钛矿活性组分含量降低，进而使其活性降低或失活；(3)物理涂抹法，首先合成钙钛矿粉体，然后将其与粘结剂共混，制备成浆料，并多次涂于堇青石蜂窝载体表面，这种涂覆方式属于物理涂法，该方法制备的催化剂，虽然保持了钙钛矿晶相和催化活性，但实际反应过程活性组分容易脱落；(4)蜂窝载体的改性，专利CN101439290A，一种蜂窝陶瓷型钙钛矿催化燃烧剂，其公开了在蜂窝载体表面做了大量的改性研究，其中提到了γ-Al2O3悬浮物的涂覆，但其应用条件较为温和(低于500℃)，因此，对于实际应用条件可能会突破800℃以上的高温条件，而且在长周期内运行，γ-Al2O3将不稳定，其易于与活性组分相互作用，从而降低催化反应活性。专利文献CN105797766A《用于甲烷催化燃烧的整体式催化剂及其制备方法》中，公开了利用蜂窝陶瓷作为载体，稀土复合氧化铝负载Pd和稀土复合分子筛负载Pt，混合制成涂层料液，固化到载体上，其可以用于低浓度的甲烷气体的燃烧，但是由于Pa和Pt等贵金属容易团聚，且其使用的氧化铝为γ-Al2O3，在高温环境中不稳定，易于与活性组分反应，降低催化剂的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的负载在载体上的氧化铝膜在高温下不稳定，易于与活性组分相互作用的缺陷，从而提供一种整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法。
一种整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括如下步骤：
将蜂窝状载体浸渍在铝溶胶中，取出后清除表面多余铝溶胶，干燥，在温度为800-1200℃下焙烧，使在所述蜂窝状载体上形成一至少具有δ-相、θ-相和α-晶相中任一种晶相的氧化铝膜层。
所述干燥温度为120℃下，干燥时间为3～5h，所述焙烧为时间为2～3h。
所述铝溶胶的固体含量为5wt％-10wt％。
每克所述蜂窝载体浸渍在0.3-0.5mL铝溶胶中。
所述蜂窝状载体为堇青石蜂窝载体。
一种整体式甲烷燃烧催化剂，包括本发明制备得到的所述氧化铝膜层载体和活性组分。
所述活性组分为式(I)所示非化合计量比的物质，
AxA'(1-x)ByB'(1-y)O3-σ (I)；
其中：
0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，σ为零或正实数；
所述A、A'、B和B'分别选自La、Ca、Fe、Mn、Sr、Ba、Cu、Co和Ce中的一种。
一种的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
将含有活性组分的溶液喷涂到本发明制备的所述氧化铝膜层载体上，干燥，在温度750～850℃条件下，焙烧，得到整体式甲烷燃烧催化剂；
其中，所述活性组分为式(I)所示非化合计量比的物质，
AxA'(1-x)ByB'(1-y)O3-σ (I)；
其中：
0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，σ为零或正实数；
所述A、A'、B和B'分别选自La、Ca、Fe、Mn、Sr、Ba、Cu、Co和Ce中的一种。
所述干燥温度为120℃下，干燥时间为3～5h。
所述焙烧时间为2～3h。
铝溶胶制备方法，包括以下步骤：
用拟薄水铝石粉或SB粉与水混合，配制固体浓度为5～10wt％的浆液；使用单质子酸调节所述浆液的pH值至2～4，得到稳定的铝溶胶。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法中，将稳定的铝溶胶涂覆在蜂窝状载体上，并通过高温焙烧，在蜂窝状载体上形成一至少具有δ-相、θ-相和α-晶相中任一种晶相的氧化铝膜层，该工艺易于操作，且工序简单，且该氧化铝膜层在高温下结构稳定，不会与负载其上的活性组分发生反应，同时还能有效的起到分隔活性组分与蜂窝状载体的效果，能有效防止活性组分与蜂窝状载体中的金属物质在高温下反应形成尖晶石型稳定化物，降低催化剂的反应活性，且该氧化铝膜层可以增大蜂窝状载体的比表面，使活性组分高度分散，从而有效提高催化活性。
2.本发明提供的整体式甲烷燃烧催化剂及其制备方法中，将活性组分溶液喷涂到本发明制备的氧化铝膜层载体上，干燥、焙烧后得到整体式甲烷燃烧催化剂；该氧化铝膜层兼具高温结构稳定和提高比表面的优点，不仅有利于活性组分负载和分散，而且氧化铝膜层不会在高温下与活性组分反应，降低催化剂的性能，从而使得本发明的催化剂使用温度达到800℃以上；另一方面该氧化铝膜层与蜂窝状载体结合牢固，且钙钛矿型活性组分生长在氧化铝膜层载体上不易脱落；同时本发明公开的活性组分为具有式(I)所示的钙钛矿型的结构，该种结构在高温下稳定，能有效保证了催化剂的催化性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中制备得到的氧化铝膜层载体的XRD谱图；
图2是本发明实施例2中制备得到的氧化铝膜层载体的XRD谱图；
图3是本发明实施例3中制备得到的氧化铝膜层载体的XRD谱图；
图4是本发明对比例2中制备得到的氧化铝膜层载体的XRD谱图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取拟薄水铝石粉，配成固体含量为10wt％的浆液，硝酸调节浆液的pH值3.0，得稳定的铝溶胶；
(2)选取40～60目的堇青石蜂窝载体，以每克堇青石蜂窝载体浸泡在0.3mL的铝溶胶的比例，将堇青石蜂窝载体浸入到铝溶胶中，浸渍约3min，重复2次，用高压气体吹扫过多铝溶胶，在120℃干燥5h，放入马弗炉内，在温度800℃下，焙烧3h，堇青石蜂窝载体上负载氧化铝膜层，经X-射线衍射仪检测，本实施例制备的氧化铝膜层的晶相具有δ-相和θ-相，如图1所示。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3和本实施例制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取氧化镧，用硝酸溶解，待完全溶解后，根据活性组分的非化合计量比关系(La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3)，称取硝酸钙、硝酸铁以及硝酸锰溶于上述溶液中，而后补入水，待上述硝酸盐充分溶解后，加入柠檬酸络合剂，即得活性组分溶液，活性组分的浓度为0.359mol/L；
(2)称取约20g本实施例制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥5h，放入马弗炉内，在温度为750℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂，经检测在整体式甲烷燃烧催化剂中，活性组分的量为整体式甲烷燃烧催化剂质量的5％。
实施例2
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取拟薄水铝石粉，配成固体含量为5wt％的浆液，硝酸调节浆液的pH值3.0，得稳定的铝溶胶；
(2)选取40-60目的堇青石蜂窝载体，以每克堇青石蜂窝载体浸泡在0.5mL的铝溶胶的比例，将堇青石蜂窝载体浸入到铝溶胶中，浸渍约3min，重复2次，用高压气体吹扫过多铝溶胶，在120℃干燥4h，在温度1000℃下，焙烧3h，在堇青石蜂窝载体上负载氧化铝膜层；经X-射线衍射仪检测，本实施例制备的氧化铝膜层的晶相具有δ-相、θ-相和α-相，如图2所示。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3和本实施例制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取氧化镧，用硝酸溶解，待完全溶解后，根据活性组分的非化合计量比关系(La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3)，称取硝酸钙、硝酸铁以及硝酸锰溶于上述溶液中，而后补入水，待上述硝酸盐充分溶解后，加入柠檬酸络合剂，即得活性组分溶液，活性组分的浓度为0.718mol/L；
(2)称取20g本实施例制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥4h，放入马弗炉内，在温度为800℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂，经检测在整体式甲烷燃烧催化剂中，活性组分的量为整体式甲烷燃烧催化剂质量的10％。
实施例3
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取拟薄水铝石粉，配成固体含量为10wt％的浆液，硝酸调节浆液的pH值3.2，得稳定的铝溶胶；
(2)选取40-60目的堇青石蜂窝载体，以每克堇青石蜂窝载体浸泡在0.4mL的铝溶胶的比例，将堇青石蜂窝载体浸入到铝溶胶中，浸渍约3min，重复2次，用高压气体吹扫过多铝溶胶，在120℃干燥3h，放入马弗炉内，在温度1200℃下，焙烧2h，在堇青石蜂窝载体上负载氧化铝膜层，经X-射线衍射仪检测，本实施例制备的氧化铝膜层的晶相具有α-相，如图3所示。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3和本实施例制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制活性组分浓度为1.00mol/L的溶液；
(2)称取20g本实施例制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥3h，放入马弗炉内，在温度为850℃下焙烧2h，得到整体式甲烷燃烧催化剂，经检测在整体式甲烷燃烧催化剂中，活性组分的量为整体式甲烷燃烧催化剂质量的14％。
实施例4
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取高胶溶大孔拟薄水铝石(HM-PC-07)，配成固体含量为10wt％的浆液，硝酸调节浆液的pH值为2.0，得稳定的铝溶胶；
(2)选取40～60目的陶瓷蜂窝载体，以每克陶瓷蜂窝载体浸泡在0.3mL的铝溶胶的比例，将陶瓷蜂窝载体浸入到铝溶胶中，浸渍约3min，重复2次，用高压气体吹扫过多铝溶胶，在120℃干燥5h，放入马弗炉内，在温度800℃下，焙烧3h，在陶瓷蜂窝载体上负载氧化铝膜层，本实施例制备的氧化铝膜层的晶相具有δ-相和θ-相。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.8Ca0.2Cu0.2Mn0.8O3和本实施例制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制活性组分浓度为0.72mol/L的溶液；
(2)称取20g本实施例制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥3h，放入马弗炉内，在温度为800℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂，经检测在整体式甲烷燃烧催化剂中，活性组分的量为整体式甲烷燃烧催化剂质量的10％。。
实施例5
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.6Sr0.4CoO3和实施例1制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制活性组分浓度为1.04mol/L的溶液；
(2)称取20g实施例1制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥5h，放入马弗炉内，在温度为800℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂，经检测在整体式甲烷燃烧催化剂中，活性组分的量为整体式甲烷燃烧催化剂质量的14％。
实施例6
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.7Sr0.3CoO3和实施例2制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制活性组分含量为0.36mol/L的溶液；
(2)称取20g实施例2制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥5h，放入马弗炉内，在温度为800℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂，经检测在整体式甲烷燃烧催化剂中，活性组分的量为整体式甲烷燃烧催化剂质量的5％。
对比例1
本对比例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用实施例2中方法配制活性组分为La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3，浓度为0.718mol/L的溶液；
(2)称取20g堇青石蜂窝载体(40-60目)，将12ml活性组分溶液喷涂在堇青石蜂窝载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥4h，放入马弗炉内，在温度为800℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂。
对比例2
本对比例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取拟薄水铝石粉，配成固体含量为5wt％的浆液，硝酸调节浆液的pH值3.0，得稳定铝溶胶；
(2)选取40-60目的堇青石蜂窝载体，以每克堇青石蜂窝载体浸泡在0.5mL的铝溶胶的比例，将堇青石蜂窝载体浸入到铝溶胶中，浸渍约3min，重复2次，用高压气体吹扫过多铝溶胶，在120℃干燥4h，在温度600℃下，焙烧3h，在堇青石蜂窝载体上负载氧化铝膜层；经X-射线衍射仪检测，本对比例制备的氧化铝膜层的晶相具有γ-相，如图4所示。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂，包括如下原料制备而成：
活性组分La0.9Ca0.1Fe0.1Mn0.9O3和本实施例制备得到的氧化铝膜层载体。
本实施例所述的整体式甲烷燃烧催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制活性组分浓度为0.718mol/L的溶液；
(2)称取20g本对比例制备得到的氧化铝膜层载体，将12ml活性组分溶液喷涂在氧化铝膜层载体，自然晾干，放置在烘干装置中，在温度为120℃下，干燥4h，放入马弗炉内，在温度为800℃下焙烧3h，得到整体式甲烷燃烧催化剂。
实验例1
将实施例1-6以及实施例1-2制备的整体式甲烷燃烧催化剂置于固定床反应器，控制反应前反应器内甲烷含量小于5％.vol(控制在爆炸范围5-15％vol外)。
测试条件为：
(1)气体空速：20000～30000h-1；
(2)原料气：CH4、O2、平衡气和N2，CH4与O2的体积比例关系：CH4:O2＝3:6.3
甲烷催化燃烧以温度和转化率来衡量催化剂的活性差异，其中CH4转化率计算公式：
其中，[CH4]in是进气中CH4的浓度(vol.％)，[CH4]out是产物中的CH4浓度(vol.％)。
说明：(1)T(10％)代表甲烷转化率为10％时对应的温度；(2)T(50％)代表甲烷转化率为50％时对应的温度；(3)T(90％)代表转化率90％的对应温度。
实施例1-6的测试结果见表1，对比例1-2的测试结果见表2。由表1中可以看出，实施例1-6中甲烷转化率可以达到90。
实施例2与对比例1和2所负载的活性组分的质量和种类相同，对比例1和2与实施例2相对，实施例2在T(10％)、T(50％)和T(90％)的温度分别为525、625和660，明显低于对比例1中的570、680和750，也明显低于对比例2中的568、660和730。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| T<sub>(10％)</sub>(℃) | 560 | 525 | 510 | 523 | 512 | 562 |
| T<sub>(50％)</sub>(℃) | 650 | 625 | 615 | 624 | 617 | 658 |
| T<sub>(90％)</sub>(℃) | 710 | 660 | 658 | 655 | 655 | 700 |
表2
| 对比例1 | 对比例2 | |
| T<sub>(10％)</sub>(℃) | 570 | 568 |
| T<sub>(50％)</sub>(℃) | 680 | 660 |
| T<sub>(90％)</sub>(℃) | 750 | 730 |
实验例2
实施例5制备的整体式甲烷燃烧催化剂进行催化使用寿命检测，在实验例1中的测试条件下，使整体式甲烷燃烧催化剂运行100h，在催化剂使用0～1h期间，对甲烷的转化率达到90％以上，在此期间，转化率达到T(10％)(℃)＝510、T(50％)(℃)＝610、T(90％)(℃)＝660～800，当上述催化剂运行在99～100h时，转化率达到T(10％)(℃)＝510、T(50％)(℃)＝610、T(90％)(℃)＝660～800。上述实验结果证明，本发明制备的整体式催化剂使用寿命长，可以达到100h。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将蜂窝状载体浸渍在铝溶胶中，取出后清除表面多余铝溶胶，干燥，在温度为800-1200℃下焙烧，使在所述蜂窝状载体上形成一至少具有δ-相、θ-相和α-相中任一种晶相的氧化铝膜层；
所述整体式甲烷燃烧催化剂包括所述氧化铝膜层载体和活性组分，
所述活性组分为式(I)所示非化合计量比的物质，
AxA'(1-x)ByB'(1-y)O3-σ (I)；
其中：
0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，σ为零或正实数；
所述A、A'、B和B'分别选自La、Ca、Fe、Mn、Sr、Ba、Cu、Co和Ce中的一种。
2.如权利要求1所述整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为120℃下，干燥时间为3～5h，所述焙烧为时间为2～3h。
3.如权利要求1或2所述整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，其特征在于，所述铝溶胶的固体含量为5wt％-10wt％。
4.如权利要求3所述整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，其特征在于，每克所述蜂窝载体浸渍在0.3-0.5mL铝溶胶中。
5.如权利要求3所述整体式甲烷燃烧催化剂的氧化铝膜层载体的制备方法，其特征在于，所述蜂窝状载体为堇青石蜂窝载体。
6.一种制备整体式甲烷燃烧催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将含有活性组分的溶液喷涂到权利要求1-5任一项制备方法制备的所述氧化铝膜层载体上，干燥，在温度750～850℃条件下，焙烧，得到整体式甲烷燃烧催化剂；
其中，所述活性组分为式(I)所示非化合计量比的物质，
AxA'(1-x)ByB'(1-y)O3-σ (I)；
其中：
0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，σ为零或正实数；
所述A、A'、B和B'分别选自La、Ca、Fe、Mn、Sr、Ba、Cu、Co和Ce中的一种。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述干燥温度为120℃下，干燥时间为3～5h。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述焙烧时间为2～3h。
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| "甲烷部分氧化制合成气载体及助剂对Ni系催化剂活性的影响";余林等;《催化学报》;20010731;第22卷(第4期);第383-386页 * |
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