CN108246304A - 一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物、合成及应用 - Google Patents

一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物、合成及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物、合成及应用。催化剂的制备方法为尿素均相沉淀法，即将铁源、铈源与钨源所对应的盐加入到尿素溶液中，80～110℃水浴温度条件下连续搅拌6～36h，然后进行离心、烘干和焙烧制得。本发明制备的催化剂应用于氨选择催化还原氮氧化物中，操作温度窗口较宽、热稳定性高等特点，适用于柴油机汽车尾气氮氧化物催化净化装置，具有广阔的实际应用前景。

Description

一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物、合成及应用
技术领域
本发明应用于环境催化与气态污染物净化处理领域，涉及一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物的合成及其在柴油机汽车尾气氮氧化物(NOx)消除中的应用。
背景技术
近年来，随着我国工业化和城镇化进程的不断深入推进，化石能源利用和资源消耗持续增加，大气污染形势进一步恶化。2014年，我国工业废气排放量高达694,190亿Nm3，相比于2013年同比增加3.7％。其中NOx是我国大气污染物的重要组成部分，该污染物的存在严重影响了人体健康及生态环境，如在大气中经过气-粒转化等生成细颗粒物PM2.5，其能够进入人体肺泡甚至血液系统中，导致心血管病等疾病(Organization W.H.EUROPE:WHO,2005.)。《2016年中国机动车环境管理年报》显示，我国已连续七年成为世界机动车产销第一大国，我国机动车保有量持续增长，年均增长6.5％。随之也带来了污染物排放量的增加，在2015年全国机动车污染物排放中氮氧化物高达584.9万吨，而其中柴油车NOx排放量分担率占到了69％。随着全球石油资源短缺的日益加剧和温室气体效应的增加，国内外均有机动车柴油化的趋势。柴油机NOx的净化治理工作任重而道远。对于一般的柴油机尾气处理系统中，在实际应用过程中温度会突然提高到600～700℃，引起催化剂结构及活性的变化；且DPF再生也会产生高温，对催化剂活性温度窗口和热稳定性都提出了更高的要求。氨选择催化还原NOx技术(NH3-SCR)是未来中、重型柴油发动机符合未来排放法规的主要技术路线之一，有望在机动车领域得到广泛的实际应用。但常见的商业化钒钨钛催化剂，具有操作温度窗口较窄(300-350℃)、V2O5生物毒性等问题，鞭策研究者设计、开发具有优良温度适应性和宽活性温度窗口的低钒担载量催化剂或其他金属材料(如铁、铜、铈、锰等)催化剂体系。
铁基催化剂具有优良的中低温NH3-SCR活性，较高的N2选择性，来源广泛，绿色廉价等优势，是一个有潜力的NH3-SCR催化剂。但其操作温度窗口较窄，热稳定性相对较差。He等人在对铁钛催化剂的相关研究中发现，经700℃焙烧的铁钛催化剂NH3-SCR性能明显降低，仅在300～400℃温度范围内转化率达到80％以上(Fudong Liu,Hong He*and ChangbinZhang，Chem.Commun.,2008,2043-2045)。氧化铈材料具有优良的氧化还原性、空的d电子轨道、高的氧气储存释放能力，有利于形成氧空位，可提高催化剂NH3-SCR反应活性(Yang S.,Guo Y.,Chang H.et.al,Appl.Catal.B:Environ.2013,136–137:19-28.)。含钨氧化物为常见的催化剂助剂，可增强催化剂的酸性。同时，还可以稳定催化剂的晶体结构，提高晶相转变温度，从而增强催化剂的热稳定性。此外，钨物种具有特殊的电子性质和高熔点性，可以弥补和改善铁氧化物的相关性质(Bai S.,Zhang K.,Sun J.et.al,CrystEngComm,2014,16(16):3289-3295.)。本专利将三种具有不同优势的金属元素有效地结合，使该类催化剂的NH3-SCR反应操作温度窗口拓宽、热稳定性提高。
目前关于铁铈钨三元复合氧化物催化剂且能大幅度提高其NH3-SCR反应性能(包括热稳定性及宽温度窗口等)的研究和专利极少。因此，此类催化剂的开发具有极大的潜力及应用价值。
发明内容
为了解决现有NH3-SCR中铁基催化剂体系中热稳定性差和温度窗口窄等缺点，本发明首次提供了一种具有高热稳定性的铁铈钨复合氧化物催化剂及其合成，可用作柴油机汽车尾气NOx催化净化处理。
本发明的技术方案：
一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物，该铁铈钨三元复合氧化物的化学式为FexCeyWzOa，其中，0.1≤x<0.5、0.1≤y<0.5、0.1≤z<0.5，x+y+z＝1；该三元复合氧化物催化剂具有丰富的微孔结构及较高的热稳定性。
一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物的制备方法，使用尿素均相沉淀法，步骤如下：
(1)将尿素加入到去离子水中，在20～30℃的水浴条件下连续搅拌1～12h使其完全溶解；
(2)向步骤(1)所得的溶液中依次加入铁源、铈源和钨源，持续搅拌1～24h，形成悬浮液；其中，铁源、铈源和钨源的摩尔比为1:3:1～3:1:1；所述的铁源、铈源和钨源的总摩尔与尿素的摩尔比为1:1～1:15；
(3)将水浴温度增加到80～110℃，持续搅拌6～36h，随后将水浴温度降至20～30℃静置6～36h，离心、干燥、焙烧，得到三元复合金属氧化物；其中，干燥时间为12～24h，干燥温度为60～120℃，焙烧时间6～8h，焙烧温度为400～800℃；
(4)将步骤(3)所得的三元复合金属氧化物研磨，压片，过10～50目筛，得到铁铈钨三元复合氧化物。
步骤(2)中所述的铁源为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁中的一种或两种以上混合。
步骤(2)中所述的铈源为硝酸铈、硫酸铈铵中的一种或两种以上混合。
步骤(2)中所述钨源为偏钨酸铵。
一种铁铈钨三元复合氧化物在柴油机汽车尾气氮氧化物消除中的应用，其原料混合气体积配比为200～1200ppm NH3、200～1200ppm NO和1～20vol.％O2，总流速为200～500mL/min，NH3-SCR活性测试连续操作；反应操作温度为125～550℃，铁铈钨三元复合氧化物的用量为0.2～0.5g，空速为20000h-1～150000h-1。
本发明的有益效果是：铁铈钨三元氧化物材料的制备工艺及设备简单，可重复性高，成本较低，可量产。制备的铁铈钨复合氧化物催化剂所展示出的NH3-SCR操作温度窗口宽、重复性好、热稳定性优良，且具有较好的二氧化硫耐受性，有极大的应用潜力。
附图说明
图1是催化剂A-700℃、C-700℃、E-700℃的NH3-SCR反应活性曲线图。
图2是SO2对催化剂A-700℃的NH3-SCR反应活性影响曲线图。
具体实施方式
为更清楚地阐明此专利，结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
三元复合氧化物的制备：称取9.0g尿素，加入到去离子水中，在20℃水浴条件下连续搅拌1h；随后向该尿素溶液中依次加入1.21g九水合硝酸铁、3.908g六水合硝酸铈和0.74g偏钨酸铵，持续搅拌3h形成均匀的悬浮液；于90℃水浴条件下继续搅拌24h，后水浴温度降至室温，老化静置12h；将所得的沉淀离心，在烘箱中80℃干燥12h，最后将烘干的样品前驱体于马弗炉700℃下焙烧5h，制得粉体催化剂A-700℃。
实施例2
按照实施例1本发明的三元复合氧化物制备方法，其他条件保持不变，仅将焙烧温度改为500℃，焙烧时间为5h，制得催化剂。
实施例3
为更好地展示三元复合化物催化剂的优势，将其与两元复合氧化物催化剂进行比较。按照实施例1本发明的复合氧化物制备方法，其他条件保持不变，仅去除六水合硝酸铈，制备得到催化剂C-700℃。按照实施例2本发明的复合氧化物制备方法，其他条件保持不变，仅去除六水合硝酸铈，制备得到催化剂D-500℃。
实施例4
按照实施例1本发明的复合氧化物制备方法，其他条件保持不变，仅去除九水合硝酸铁，制备得到催化剂E-700℃。按照实施例2本发明的复合氧化物制备方法，其他条件保持不变，仅去除九水合硝酸铁，制备得到催化剂F-500℃。
实施例5
用实施例1～3制得的催化剂A-700℃、B-500℃、C-700℃、D-500℃、E-700℃、F-500℃，在自制的催化剂微型固定床连续流动反应器中进行，反应器为内径6mm的玻璃U型管，NH3-SCR反应原料气组成：500ppm NH3，500ppm NO，3vol.％O2，Ar为平衡气，气体流速为300mL/min，气时空速GHSV为50,000h-1；反应35min后，产物气体中的NOx经NO-NO2-NOx分析仪(42iHL,Thermo Fisher Scientific)在线分析。反应结果如图1和表1所示。
表1 催化剂活性评价结果
由上表可知，本专利发明的三元催化剂A-700℃，与在500℃条件下焙烧的B-500℃相比，SCR反应活性不但没有明显的降低，还略有提高。SCR反应操作温度窗口较宽，在250℃到400℃温度范围内，NOx转化率仍能维持在90％以上，具有优良的热稳定性。而二元催化剂C-700℃、E-700℃与D-500℃、F-500℃相比，低温区间反应活性有明显降低。本专利发明的三元催化剂具有优良的热稳定性及较宽的操作温度窗口。
实施例6
使用催化剂A-700℃，SCR催化性能测试同实施例4，不同的是在原料气中加入SO2，含量是200ppm；催化剂床层温度为300℃，连续反应600min，NOx转化率略有降低，但仍保持良好的NH3-SCR活性，NOx转化率保持在95％以上。反应结果如图2所示。

Claims (7)

1.一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物，其特征在于，所述的铁铈钨三元复合氧化物的化学式为FexCeyWzOa，其中，0.1≤x<0.5、0.1≤y<0.5、0.1≤z<0.5，x+y+z＝1。
2.一种具有高热稳定性的铁铈钨三元复合氧化物的制备方法，其特征在于，使用尿素均相沉淀法，步骤如下：
(1)将尿素加入到去离子水中，在20～30℃的水浴条件下连续搅拌1～12h使其完全溶解；
(2)向步骤(1)所得的溶液中依次加入铁源、铈源和钨源，持续搅拌1～24h，形成悬浮液；其中，铁源、铈源和钨源的摩尔比为1:3:1～3:1:1；所述的铁源、铈源和钨源的总摩尔与尿素的摩尔比为1:1～1:15；
(3)将水浴温度增加到80～110℃，持续搅拌6～36h，随后将水浴温度降至20～30℃静置6～36h，离心、干燥、焙烧，得到三元复合金属氧化物；其中，干燥时间为12～24h，干燥温度为60～120℃，焙烧时间6～8h，焙烧温度为400～800℃；
(4)将步骤(3)所得的三元复合金属氧化物研磨，压片，过10～50目筛，得到铁铈钨三元复合氧化物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的铁源为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁中的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的铈源为硝酸铈、硫酸铈铵中的一种或两种以上混合。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述钨源为偏钨酸铵。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述钨源为偏钨酸铵。
7.一种铁铈钨三元复合氧化物在柴油机汽车尾气氮氧化物消除中的应用，其原料混合气体积配比为200～1200ppm NH3、200～1200ppm NO和1～20vol.％O2，总流速为200～500mL/min，NH3-SCR活性测试连续操作；反应操作温度为125～550℃，铁铈钨三元复合氧化物的用量为0.2～0.5g，空速为20000h-1～150000h-1。
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