CN107398297A - 催化剂及催化剂的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种催化剂制造方法,其包括:预备UZM‑35沸石;通过在UZM‑35沸石的结构中进行离子取代来制造含有离子的UZM‑35沸石;以及通过在含有离子的UZM‑35沸石的结构中进行铜(Cu)离子或铁(Fe)离子置换来制造含有金属的UZM‑35沸石。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月18日提交的韩国专利申请第10-2016-0061072号的优先权和权益,其全部内容通过参考并入本文。
技术领域
本公开涉及一种催化剂以及制备其的方法。
背景技术
在车辆废气中,包括有害物质一氧化碳、烃类和氮氧化物。在它们当中,氮氧化物引起了譬如光化学烟雾和酸雨的环境问题以及人类的疾病。因此,存在改进发动机和开发废气后处理技术的需求。
对于去除氮氧化物而言最有效的技术是选择性催化还原法(SCR)。已经根据例如氨(NH3)、尿素、烃(HC)等的还原剂和各种催化剂而开发了该方法。在它们当中,用氨(NH3)作为还原剂的选择性催化还原法在去除固定来源(如动力装置和焚烧炉)中的氮氧化物中是最有效的。然而,为了将其应用在作为移动来源的车辆上,存在有储存、运输和氨的使用的问题,所以希望有使用能易于经热分解和水合反应而分解为氨的尿素作为还原剂的方法。
同时,作为应用于选择性催化还原法的催化剂,可以使用具有优异性能的沸石系催化剂,如铜(Cu)/沸石。这样的催化剂通常需要即使在高温下也保持其催化性能,以处理高温废气。
在背景技术部分公开的上述信息仅用于增强对本发明的理解,因此其可以包括并不形成本领域技术人员已知的现有技术的部分。
发明内容
本公开提供了一种催化剂及其制备方法,其具有即使在高温下也能够保持稳定性的优点。催化剂制备方法的一种形式包括:制备UZM-35沸石;通过在UZM-35沸石结构中进行离子取代而制备含有离子的UZM-35沸石;以及通过在含有离子的UZM-35沸石结构中进行铜(Cu)离子或铁(Fe)离子置换而制备含有金属的UZM-35沸石。通过在含有离子的UZM-35沸石结构中进行铜(Cu)离子或铁(Fe)离子置换而制备含有金属的UZM-35沸石的步骤可以包括,将含有离子的UZM-35沸石加入到铜前体溶液或铁前体溶液中并对其进行搅拌。
铜前体溶液可包括,而不限于,醋酸铜单水合物(Cu(OAc)2·H2O))、氮化铜、硝酸铜和硫酸铜中的至少一种。
当需要时,催化剂制备方法还可以包括,在制备了含有金属的UZM-35沸石之后,对含有金属的UZM-35沸石进行热处理。热处理可以通过以1℃/min至30℃/min的升温速率将含有金属的UZM-35沸石加热到400℃至700℃的温度来进行。热处理可以进行1小时至24小时的时间。
催化剂可具有大约5至大约30的Si/Al摩尔比。当需要时,催化剂的铜含量可以为大约1wt%至大约5wt%。同样地,当需要时,催化剂的铁含量可以为大约1wt%至大约5wt%。
根据本公开的一个方面,提供了一种包括含有铜离子的UZM-35沸石的催化剂,其中UZM-35沸石的Si/Al比为大约5至大约30。含有铜离子的UZM-35沸石的铜含量可以为大约1wt%至大约5wt%。
根据本公开的另一方面,催化剂还可以包括含有铜离子的SSZ-13沸石。在催化剂中含有铜离子的UZM-35沸石与含有铜离子的SSZ-13沸石的混合比为大约1:9至大约9:1。
根据本发明的另一方面,提供了一种包括含有铁离子的UZM-35沸石的催化剂,其中UZM-35沸石的Si/Al比为5至30。含有铁离子的UZM-35沸石的铁含量可为大约1wt%至大约5wt%。
根据本公开的另一方面,催化剂还可以包括含有铁离子的SSZ-13沸石。在催化剂中含有铁离子的UZM-35沸石与含有铁离子的SSZ-13沸石的混合比为大约1:9至大约9:1。
由此,通过根据本公开的催化剂制备方法制备的催化剂可具有优异的高温稳定性,并且即使在高温废气环境中也能稳定去除氮氧化物。
进一步的应用领域将从下文提供的公开内容中更加显而易见。应当理解的是,说明书和具体实施例仅是出于说明性的目的,而不意在对本公开的范围进行限制。
附图说明
为了可以更好地理解本发明,现在将通过实施例、对附图的参考的方式给出其所述的多种形式,其中:
图1为示出对根据本公开教导的铜型UZM-35沸石催化剂和铜型SSZ-13沸石催化剂而言基于温度的一氧化氮转化性能的图;以及
图2为示出对根据本公开教导的铜型UZM-35沸石催化剂、铜型SSZ-13沸石催化剂和铜型ZSM-5催化剂而言基于温度的一氧化氮转化性能的图。
具体实施方式
以下详细说明实质上仅是示例性的,不意在限制本公开、申请或用途。将对本公开的多种形式作出详细参考,并单纯地通过说明的方式示出和描述了其实施例。如本领域技术人员能认识到的,可以以多种方式对所述的多种形式进行改变,所有的这些均不偏离本发明的主旨或范围。
在下文中,详细说明了根据本公开一个方面的催化剂制备方法。该催化剂制备方法包括:准备UZM-35沸石,通过在UZM-35沸石结构中进行离子取代来制备含有离子的UZM-35沸石,以及通过在含有离子的UZM-35沸石中进行铜(Cu)离子或铁(Fe)离子置换来制备含有金属的UZM-35沸石。
首先,将描述UZM-35的预备。“UZM-35”是一种沸石的名称,并通过化学式“Mn+mR+rAl(1-x)ExSiyOz”表示。在该化学式中,M表示能够被钾和钠替换的阳离子的组合,“m”为M与(Al+E)的摩尔比,其范围在大约0.05至大约3,R为单价带电二甲基二丙铵的阳离子,“r”为R与(Al+E)的摩尔比,其范围在大约0.25至大约2.0,E为镓、铁、硼及其混合物的一种,“x”为E的摩尔分数,其范围在0至大约1.0,“y”为Si与(Al+E)的摩尔比,其范围在大于2且小于大约12,且“z”为O与(Al+E)的摩尔比,其通过方程z=(m+r+3+4*y)/2计算。UZM-35沸石的结构在美国专利第7,922,997号中公开,其全部内容通过引用并入本文。
UZM-35沸石的预备可通过购买UZM-35沸石或者通过以任何对本领域技术人员而言已知的方法(包括但不限于使用二甲基二丙铵氢氧化物等)进行合成来完成。
制备含有离子的UZM-35沸石可以通过在UZM-35沸石结构中进行离子取代来完成。制备含有离子的UZM-35沸石包括将UZM-35沸石加入铵盐溶液以进行反应并使其干燥。或者,可以将UZM-35沸石加入铵溶液以使其回流。在此情况下,回流温度可以在大约60℃至100℃的范围内,并且回流进行的时间可以在大约5至7小时的范围内。可以使包含NH4 +离子的NH4型UZM-35沸石经过清洗和干燥的操作。铵盐可以为,但不限于硝酸铵(NH4NO3)。
或者,含有金属的UZM-35沸石的制备还可以通过在含有离子的UZM-35沸石中进行铜(Cu)离子或铁(Fe)离子置换而完成。通过含有NH4 +离子的NH4型UZM-35沸石的铜(Cu)离子置换而制备含有铜离子的铜型UZM-35沸石是可能的。或者,通过含有NH4 +离子的NH4型UZM-35沸石的铁(Fe)离子置换而制备含有铁离子的铁型UZM-35沸石是可能的。
可以将含有离子的UZM-35沸石加入到铜前体溶液(如乙酸铜单水合物、氮化铜、硝酸铜或硫酸铜)中以搅拌,然后进行清洗和干燥操作,以进行铜离子置换。在此情况下,搅拌可以执行大约5小时至大约7小时。进而,可以通过使用过滤器和蒸馏水进行清洗操作,干燥操作可以在室温下进行。清洗和干燥操作可以重复三次或更多次。在这一步中,铜型UZM-35沸石的铜含量可以在大约1wt%至大约5wt%的范围内。
根据本公开教导的催化剂制备方法还可以包括:在通过在含有离子的UZM-35沸石中进行铜(Cu)离子或铁(Fe)离子置换而制备含有金属的UZM-35沸石之后,对含有金属的UZM-35沸石进行热处理。热处理可以通过以大约1℃/min至30℃/min的升温速率将含有金属的UZM-35沸石升温至大约400℃至700℃的温度来进行。进而,热处理可以进行大约1小时至24小时的时间。在此情况下,热处理可以通过使用燃烧炉来进行。
制备方法已经在由铜离子交换得到的铜型UZM-35沸石的基础上进行了描述。然而,通过铁离子交换获得的铁型UZM-35沸石可以通过类似的铁离子交换并使用热处理来制备。
在通过本公开的教导制备的催化剂中,Si/Al的摩尔比可以为大约5至大约30。通过本制备方法制备的催化剂具有突出的高温稳定性和突出的耐热性,即使在高温下也可以使用。因此,催化剂可以用于去除车辆的废气。
在下文中,将对根据本公开一方面的催化剂进行描述。该催化剂包括含有铜离子的UZM-35沸石,UZM-35沸石的Si/Al摩尔比为大约5至大约30。当需要时,含有铜离子的UZM-35沸石的铜含量可以在大约1wt%至大约5wt%的范围内。由于UZM-35沸石的高温稳定性,铜型UZM-35沸石催化剂在高温下显示出优良的催化性能。根据本公开的铜型UZM-35沸石催化剂即使在等于或高于400℃的高温下也能够保持其催化性质。
根据本公开的另一方面,UZM-35沸石可以包括单独的或者除铜之外的另一种金属。例如,UZM-35沸石可以包括Cu、Fe、Cr、Co、Ni、Mn、Ag、La、Mg、Zn、La和Ce的至少一种。包含另一种金属的UZM-35沸石催化剂的制备方法与铜型UZM-35沸石催化剂的制备方法类似。
根据本公开另一方面的催化剂包括含有铁离子的UZM-35沸石,UZM-35沸石的Si/Al摩尔比为大约5至大约30。含有铁离子的UZM-35沸石的铁含量在大约1wt%至大约5wt%的范围内。由于UZM-35沸石的高温稳定性,铁型UZM-35沸石催化剂在高温下显示出优良的催化性能。铁型UZM-35沸石催化剂即使在等于或高于400℃的高温下也能够保持其催化性质。或者,催化剂可以是铜型UZM-35沸石与铜型SSZ-13沸石的混合物。
SSZ-13沸石是一种具有0.38×0.38nm微孔的铝硅酸盐催化剂,其由式QxNayAl2.4Si33.6O72·zH2O表示,其满足1.4<x<27,0.7<y<4.3且1<z<7的范围。Q表示N,N,N-三甲基金刚烷基铵(N,N,N-1-trimethyladamantammonium)。
铜型SSZ-13沸石在低温下具有突出的催化性能。因此,当铜型UZM-35沸石和铜型SSZ-13沸石混合使用时,在低温至高温的范围内保持优良的催化性能是可能的。
铜型SSZ-13沸石可以通过使用与铜型UZM-35沸石的制备方法相似的方法来制备。SSZ-13沸石可以购买,或者通过任何工业中已知的方法使用与三甲基金刚烷基氢氧化铵相同或类似的材料来制备。在此情况下,铜型UZM-35沸石与铜型SSZ-13沸石的混合比可以在大约1:9至大约9:1的范围内,以获得最佳的催化剂性能。
进而,根据本公开的另一方面,催化剂可以为铁型UZM-35沸石和铁型SSZ-13沸石的混合物。在此情况下,铁型UZM-35沸石与铁型SSZ-13沸石的混合比可以在大约1:9至大约9:1的范围内,以获得最佳的催化剂性能。
在图1中,图示出了根据本公开的教导对铜型UZM-35沸石催化剂和铜型SSZ-13沸石催化剂而言基于温度的一氧化氮转化性能。在图1中,每个催化剂在750℃的温度下陈化进行实验。该陈化通过向其通入含水量为10%的空气并将其置于750℃的温度下24小时而进行。
仍然参照图1,铜型UZM-35沸石催化剂在250℃或更高的温度下总体显示出大约80%的一氧化氮转化性能。然而,铜型SSZ-13沸石催化剂在大约200℃至400℃的温度下显示出大约80%或更高的一氧化氮转化性能,但其转化性能在400℃或更高的温度下大幅降低。因此,铜型SSZ-13沸石催化剂在400℃或更低的温度下显示出优良的性能,而铜型UZM-35沸石催化剂在400℃或更高的温度下显示出优良的性能。因此,当将铜型SSZ-13沸石催化剂和铜型UZM-35沸石催化剂混合时,在低温和高温的整个区域内获得优良的催化剂性能是可能的。
根据本公开的催化剂可以被用作SCR催化剂,其减少了废气中的有害物质。通过使用选择性催化还原(SCR)法,SCR催化剂有助于减少发动机废气中包括的氮氧化物。在此情况下,根据催化剂及其制备方法,即使在高温下也可能保持催化剂性能而没有结构坍塌。在下文中,根据本公开教导的催化剂制备方法和制得的催化剂的效果将通过以下具体实验例进行描述。
实验例1:铜型UZM-35沸石催化剂的催化剂制备方法
准备250ml的双颈烧瓶。将2克氢型UZM-35沸石和100ml 1M的硝酸铵(NH4NO3)溶液加入烧瓶,然后在80℃的温度下搅拌6小时。搅拌之后,将UZM-35沸石在室温下反复地进行清洗和干燥。清洗和干燥的操作重复两次。通过这些操作形成NH4型UZM-35沸石。接下来,将干燥的NH4型UZM-35沸石加入250ml的烧杯中,并向其加入100ml 0.01M的醋酸铜单水合物(Cu(OAc)2·H2O)溶液。接着,将溶液在室温下搅拌6小时,通过使用过滤器和蒸馏水反复地进行清洗并在室温下干燥。将清洗和干燥的操作重复三次。铜离子被包括在UZM-35沸石中,从而形成铜型UZM-35沸石。接着,在燃烧炉中以2℃/min的速率将铜型UZM-35沸石加热至550℃并燃烧5小时。
实验例2:催化剂性能测定
测量了对通过实验例1方法制备的铜型UZM-35沸石催化剂,以及铜型SSZ-13沸石催化剂和铜型ZSM-5沸石催化剂而言基于温度的一氧化氮转化性能,结果示于图2中。
如图2所示,铜型UZM-35沸石催化剂即使在400℃或更高的温度下也保持大约90%或更高的一氧化氮转化性能。然而,如图2所示,对铜型SSZ-13沸石催化剂和铜型ZSM-5沸石催化剂而言,一氧化氮的转化性能在350℃的温度下大幅降低。这是因为用作载体的SSZ-13沸石和ZSM-5沸石在高温下不稳定,其结构在高温下坍塌。
然而,对于根据本示例性实施方式制备的铜型UZM-35沸石催化剂而言,UZM-35沸石被用作载体。由于UZM-35沸石在高温下具有稳定的结构而不坍塌,在350℃的高温下保持催化剂的性能是可能的。因此,当将催化剂应用于例如车辆的废气过滤器时,即使在高温的废气环境下稳定地去除氮氧化物也是可能的。
虽然在上面描述了本公开的示例性实施方式,但是本公开的技术思想不限于本说明书中公开的具体实施方式,因此在相同的技术思想的范围内,理解本公开技术思想的本领域技术人员可以容易地通过补充、改变、删除、添加组成部分等而提出其他的实施方式,并且需要注意的是,这些提出的实施方式包括在本公开的范围之内。
虽然本公开已经结合目前被认为是实际实施例的实施例进行了描述,但是应当理解的是,本公开不限于公开的实施例,而是相反地,旨在涵盖包括在所附权利要求的主旨和范围内的多种修改和等价布置。
Claims (17)
1.一种催化剂制造方法,其包括以下步骤:
准备UZM-35沸石;
通过在所述UZM-35沸石的结构中替换离子来制造含有离子的UZM-35沸石;以及
通过在所述含有离子的UZM-35沸石的结构中置换铜(Cu)离子或铁(Fe)离子来制造含有金属的UZM-35沸石。
2.根据权利要求1所述的催化剂制造方法,其中通过在所述含有离子的UZM-35沸石的结构中置换铜(Cu)离子或铁(Fe)离子来制造含有金属的UZM-35沸石的步骤包括将所述含有离子的UZM-35沸石加入到铜前体溶液或铁前体溶液中并将其搅拌。
3.根据权利要求2所述的催化剂制造方法,其中所述铜前体溶液包括醋酸铜单水合物(Cu(OAc)2·H2O)、氮化铜、硝酸铜和硫酸铜的至少一种。
4.根据权利要求1所述的催化剂制造方法,其还包括以下步骤:
在制造出所述含有金属的UZM-35沸石之后,对所述含有金属的UZM-35沸石进行热处理。
5.根据权利要求4所述的催化剂制造方法,其中通过以1℃/min至30℃/min的升温速率将所述含有金属的UZM-35沸石加热到400℃至700℃的温度来进行所述热处理。
6.根据权利要求5所述的催化剂制造方法,其中所述热处理进行1小时至24小时的时间。
7.根据权利要求1所述的催化剂制造方法,其中所述催化剂的Si/Al摩尔比在5至30的范围内。
8.根据权利要求1所述的催化剂制造方法,其中所述催化剂的铜含量在1wt%至5wt%的范围内。
9.根据权利要求1所述的催化剂制造方法,其中所述催化剂的铁含量在1wt%至5wt%的范围内。
10.一种催化剂,其包括:
含有铜离子的UZM-35沸石,
其中所述UZM-35沸石的Si/Al比在5至30的范围内。
11.根据权利要求10所述的催化剂,其中所述含有铜离子的UZM-35沸石的铜含量在1wt%至5wt%的范围内。
12.根据权利要求10所述的催化剂,其还包括含有铜离子的SSZ-13沸石。
13.根据权利要求12所述的催化剂,其中所述含有铜离子的UZM-35沸石与所述含有铜离子的SSZ-13沸石的混合比在1:9至9:1的范围内。
14.一种催化剂,其包括:
含有铁离子的UZM-35沸石,
其中所述UZM-35沸石的Si/Al比在5至30的范围内。
15.根据权利要求14所述的催化剂,其中所述含有铁离子的UZM-35沸石的铁含量在1wt%至5wt%的范围内。
16.根据权利要求14所述的催化剂,其还包括含有铁离子的SSZ-13沸石。
17.根据权利要求16所述的催化剂,其中所述含有铁离子的UZM-35沸石与所述含有铁离子的SSZ-13沸石的混合比在1:9至9:1的范围内。
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