CN108993481A - 一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂及制备方法 - Google Patents

一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂及制备方法 Download PDF

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张亚青
李俊华
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Abstract

本发明涉及一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，包括以下步骤S01制备载体：a将配置好的硝酸铈六水合物溶液与氢氧化钠溶液混合并搅拌得到第一混合溶液；b将第一混合溶液转移至反应釜中高温处理；c将高温处理后的样品进行高温焙烧得到棒状氧化铈载体；S02制备催化剂：d制备硝酸钐与硝酸锰的第二混合溶液；e将第二混合溶液浸渍到棒状氧化铈载体上；f对浸渍后的样品进行高温焙烧得到氧化态催化剂。该方法制备的催化剂在100～200℃的宽温度范围内，氮氧化物的净化效率达90％以上。

Description

一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂及制备方法
技术领域
本发明涉及一种化学产品及化学产品的制备方法，尤其涉及一种钐锰复合氧化物催化剂及其制备方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)是主要的大气污染源之一，不仅能引起光化学烟雾，酸雨、臭氧层破坏、温室效应等生态问题，还危及人类健康。因此，氮氧化物的减排和控制已成为了全球大气污染防治领域的研究热点和重点。
氨选择性催化还原 (NH3-SCR)脱硝方法是目前研究最多、应用最广，也是最有效的NOx脱除技术。SCR脱硝技术的核心是脱硝催化剂，目前工业中应用最广泛的催化剂是V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂。然而，V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂具有活性温度较高，活性温度区间为350～450℃，比较适用于烟气温度在300~400℃的电厂，而石化加热炉等低温窑炉中的氮氧化物治理尚未有合适的催化材料，此外，钒钨钛体系催化剂中钒金属有毒，易将SO2氧化成SO3。因此，开发适用于低温烟气条件、新型、环境友好型的SCR脱硝催化剂已成为我国脱硝产业的迫切需求。
近几十年来，过渡金属氧化物催化剂、贵重金属催化剂和离子交换分子筛催化剂等多种无钒脱硝催化剂得到了国内外研究人员的广泛关注，其中过渡金属氧化物催化剂锰基催化剂的研究是目前国内外研究最多的催化剂之一。锰具有较多的化合价，不同价态的锰之间能相互转化而产生氧化还原性。对于低温SCR催化反应，自由电子的活化是关键。锰是过渡金属元素，它的最外层价电子处于半充满状态，因此在较低温度下其最外层很容易迁移到O2上，从而促使氧化还原反应的发生。专利CN107649121A公开了一种锰基脱硝催化剂的改性方法和改性锰基脱硝催化剂及制备方法，通过将锰基脱硝催化剂放入介质阻挡管盘后，向反应器中通入反应气体，再进行等离子体处理，对催化剂改性。所述的方法简单可行、耗时少，在保证催化剂负载量低、成本较低的同时，具有较好的催化效果。
专利CN106925294A公开了一种泡沫金属镍负载锰基低温SCR催化剂及其制备方法，所述的催化剂泡沫金属镍为支撑载体，Mn氧化物为活性组分，组分Mn元素的负载量为泡沫金属镍重量的5～20％，采用浸渍法将活性组分负载在载体上，然后经过搅拌、干燥、空气氛围中焙烧得到。制备的催化剂保留了泡沫金属镍独特的开孔结构、低压投入孔、固有的抗拉强度和抗热冲击等特点，具有良好的脱硝效率。虽然上述催化剂具有良好的脱硝性能，但是催化活性的温度窗口较窄，且这两种催化剂的比表面积不大，抗硫性较差。
研究结果表明，载体对催化剂的脱硝活性及适宜温度区间影响很大，相同的活性组分负载在不同的载体上，所表现出的脱硝效果也有所不同。CeO2因其出色的储氧能力和氧化还原能力而受到极大的关注，在氧化和还原的条件下，Ce2O3和CeO2之间的氧化还原转换可以形成不稳定的氧空位和流动性好的晶格氧物种。此外，氧化铈也具有商业催化剂氧化钛的部分性质，例如良好的结构特性、与其他组分作用强烈等。专利CN106881080A公开了一种纳米棒状铈锰复合催化剂的制备方法，所述的催化剂以纳米棒状CeO2为基体，通过水热法负载上Mn形成复合催化剂，该专利中锰的负载比较均匀，拥有优异的储氧和释氧能力，但是脱硝效率较低，抗硫性能差。
发明内容
本发明为了克服现有催化剂不能兼具较宽的温度窗口和良好的脱硝性能的问题，提供了一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，该方法制备的催化剂在100～200℃的宽温度范围内，氮氧化物的净化效率达90％以上。
本发明所采取的技术方案为：一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，包括以下步骤
S01 制备载体：a将配置好的硝酸铈六水合物溶液与氢氧化钠溶液混合并搅拌得到第一混合溶液；
b将第一混合溶液转移至反应釜中高温处理；
c 将高温处理后的样品进行高温焙烧得到棒状氧化铈载体；
S02 制备催化剂：d 制备硝酸钐与硝酸锰的第二混合溶液；
e 将第二混合溶液浸渍到棒状氧化铈载体上；
f 对浸渍后的样品进行高温焙烧得到氧化态催化剂SmMn/CeO2-rod。
进一步的，具体步骤为
S01棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.0444~0.05 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为8~9 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。取一定量的溶液2滴加至溶液1中，使得混合溶液中硝酸铈与氢氧化钠的摩尔比为1:180，剧烈搅拌1~2 h后，转移至聚四氟乙烯反应釜中， 在高温下老化处理一定时间。取出反应釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面干燥一段时间后，再置于马弗炉中进行高温焙烧得到棒状氧化铈载体。将得到的棒状氧化铈载体记为CeO2-rod。
S02催化剂的制备：称取一定质量的硝酸钐（Ⅲ）六水合物，加入一定体积的质量分数为50%硝酸锰溶液，混合均匀，记为混合溶液1。采用等体积浸渍法（棒状CeO2-rod载体和溶液的体积比为1:1）将该溶液浸渍到CeO2-rod上后烘干，记为S。之后将S置于马弗炉中，经过焙烧得到氧化态催化剂SmMn/CeO2-rod。
进一步的，步骤S01中所述的老化处理温度为100~110℃，老化时间为12~24h。老化结束待冷却后先进行干燥处理，干燥温度为60~80℃，干燥时间为12~36h。
进一步的，步骤S01中所述制备的棒状氧化铈前驱体焙烧于马弗炉中，以1℃/min~3℃/min的升温速率升温至450~550℃，并在该温度下焙烧2~4h。
进一步的，步骤S02中所述制备的S焙烧于马弗炉中，以1℃/min~3℃/min的升温速率升温至500℃-550℃，并在该温度下焙烧2~3h。
进一步的，步骤S02中所述的浸渍法采用等体积浸渍法，整个浸渍的过程在常温常压下进行。
进一步的，步骤S02中焙烧后制得的复合氧化物催化剂中，Sm的质量为CeO2-rod质量（指的是Sm元素的质量占CeO2-rod质量的百分数）的0.5~3%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的3~8%。
本发明所产生的有益效果包括：Sm能抑制Mn4+向Mn3+的转化，从而使催化剂中Mn4+含量提高，催化剂的氧化-还原性增强；同时催化剂表面的氧含量也得到提高。此外，本发明中棒状氧化铈载体与助剂Sm2O3及活性组分MnOX形成的良好的相互作用和协同催化，促进了电子在活性组份间的传递，增加了催化剂的比表面积和表面氧的含量，促进了反应物分子的吸附与活化，拓宽了催化剂的活性温度窗口，提高了催化剂的抗硫性能和脱硝性能，在100～200℃的宽温度范围内，氮氧化物的净化效率达90％以上。
附图说明
图1 棒状氧化铈的SEM图；
图2 棒状氧化铈的BET图；
图3 催化剂脱硝活性测试结果图。
图4 SO2和H2O对催化剂1%Sm5%Mn/CeO2-rod的影响。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.0444 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为8 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中使两者摩尔比为1:180，剧烈搅拌1 h后，转移至体积为100 mL的聚四氟乙烯的反应釜中，在110℃下老化处理12h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在60℃干燥12h后，再置于马弗炉中焙烧，以3℃/min的升温速率升温至450℃，并在该温度下焙烧4h得到棒状氧化铈载体。将得到的棒状氧化铈载体记为CeO2-rod。
（2）催化剂的制备：称取0.02955g硝酸钐（Ⅲ）六水合物，加入0.635mL的50%硝酸锰溶液，混合均匀。采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过550℃焙烧2h，得到氧化态催化剂0.5%Sm5%Mn/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Sm的质量为CeO2-rod 质量的0.5%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的5%。记为催化剂A。
实施例2
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.05 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为9 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中使两者摩尔比为1:180，剧烈搅拌1 h后，转移至100 mL聚四氟乙烯反应釜中， 在100℃下老化处理24h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在60℃干燥12h后，再置于马弗炉中焙烧，以1℃/min的升温速率升温至500℃，并在该温度下焙烧3h得到棒状氧化铈载体。该载体的比表面积为90.13m2/g。
（2）催化剂的制备：称取0.0591g硝酸钐（Ⅲ）六水合物，加入0.635mL的50%硝酸锰溶液，混合均匀。采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过500℃焙烧3h，得到氧化态催化剂1%Sm5%Mn/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Sm的质量为CeO2-rod 质量的1%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的5%。记为催化剂B。
图1为CeO2-rod在不同放大倍数下的SEM扫描电镜照片，电镜照片表明制备的载体为棒状的形貌；图2为CeO2-rod的氮气吸附等温线，在0.8<P/P0<1，中间有回滞环，表明CeO2-rod载体是一种多孔的结构。
实施例3
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.05 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为9 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中使两者摩尔比为1:180，剧烈搅拌1 h后，转移至体积为100 mL的聚四氟乙烯反应釜中， 在100℃下老化处理24h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在80℃干燥24h后，再置于马弗炉中焙烧，以1℃/min的升温速率升温至550℃，并在该温度下焙烧2h得到棒状氧化铈载体。
（2）催化剂的制备：称取0.1773g硝酸钐（Ⅲ）六水合物，加入0.635mL的50%硝酸锰溶液，混合均匀。采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过550℃焙烧3 h，得到氧化态催化剂3%Sm5%Mn/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Sm的质量为CeO2-rod 质量的3%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的5%。记为催化剂C。
实施例4
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.0444 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为8 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中使两者摩尔比为1:180，剧烈搅拌1 h后，转移至体积为100 mL的聚四氟乙烯反应釜中，在100℃下老化处理24h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在80℃干燥36h后，再置于马弗炉中焙烧，以2℃/min的升温速率升温至500℃，并在该温度下焙烧3h得到棒状氧化铈载体。
（2）催化剂的制备：称取0.0591g硝酸钐（Ⅲ）六水合物，加入0.381mL的50%硝酸锰溶液，混合均匀。采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过500℃焙烧2h，得到氧化态催化剂1%Sm3%Mn/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Sm的质量为CeO2-rod 质量的1%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的3%。记为催化剂D。
实施例5
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.047 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为8.5 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中使两者摩尔比为1:180，剧烈搅拌1 h后，转移至体积为100 mL的聚四氟乙烯反应釜中，在100℃下老化处理24h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在60℃干燥24h后，再置于马弗炉中焙烧，以1 ℃/min的升温速率升温至500 ℃，并在该温度下焙烧2h得到棒状氧化铈载体。
（2）催化剂的制备：称取0.0591 g硝酸钐（Ⅲ）六水合物，加入1.015 mL的50%硝酸锰溶液，混合均匀。采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过550℃焙烧2h，得到氧化态催化剂1%Sm8%Mn/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Sm的质量为CeO2-rod 质量的1%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的8%。记为催化剂E。
实施例6
催化剂的制备与实施例2相同，棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的应用步骤为：取0.12 g催化剂置于连续流动的固定床反应器中，通入反应气（500 ppm NO + 500 ppmNH3、5% O2，N2为平衡气），控制反应气的总流速为300mL/min，空速为127,000 h-1，活性评价温度范围为100-200℃，温度间隔50℃，每个温度点稳定0.5h。催化剂在不同温度下催化还原NOx转化率如图3所示，从图中可以看出催化剂1%Sm5%Mn/CeO2-rod在100～200℃的温度范围内，氮氧化物的净化效率达90％以上，且具有较好的氮气选择性。
实施例7
催化剂的制备方法与实施例2相同，将0 .12克催化剂置于连续流动固定床反应器中，反应气组成为500 ppm NO，500 ppm NH3，5％O2，50ppm SO2 ,用氮气做平衡气，反应气的流速为300ml/min，空速为127,000 h-1。活性评价温度为150℃，催化剂还原NOx的转化率与反应时间的关系图如图4所示，从图中可以看出催化剂1%Sm5%Mn/CeO2-rod具有良好的抗水抗硫性能。
对比例1
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.05 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为9 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中，剧烈搅拌1 h后，转移至体积为100 mL的聚四氟乙烯反应釜中，在100℃下老化处理24h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在60℃干燥12h后，再置于马弗炉中焙烧，以3℃/min的升温速率升温至550℃，并在该温度下焙烧3h得到棒状氧化铈载体。
（2）催化剂的制备：称取0.0591g硝酸钐（Ⅲ）六水合物，溶于水中。采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过500℃焙烧3h，得到氧化态催化剂1%Sm/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Sm的质量为CeO2-rod 质量的1%。记为催化剂F。
对比例2
（1）棒状氧化铈载体的合成：配制浓度为0.05 mol/L硝酸铈溶液，记为溶液1；配制浓度为9 mol/L的氢氧化钠溶液，自然冷却至室温，记为溶液2。将70 mL溶液2滴加至溶液1中，剧烈搅拌1 h后，转移至体积为100 mL的聚四氟乙烯反应釜中，在100℃下老化处理24h。取出水热釜待冷却后，将得到的棒状氧化铈前驱体置于烘箱里面在60℃干燥12h后，再置于马弗炉中焙烧，以2℃/min的升温速率升温至500 ℃，并在该温度下焙烧4h得到棒状氧化铈载体。
（2）催化剂的制备：移取0.635mL的50%硝酸锰溶液，采用等体积浸渍法将该溶液浸渍到CeO2-rod上。之后置于马弗炉中，再经过550℃焙烧3h，得到氧化态催化剂5%Mn/CeO2-rod。催化剂中按质量分数记，其中Mn的质量为CeO2-rod 质量的5%。记为催化剂G。
对比例3
催化剂的制备与对比例1相同，棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的应用步骤为：取0.12 g催化剂置于连续流动的固定床反应器中，通入反应气（500 ppm NO + 500 ppmNH3、5% O2，N2为平衡气），控制反应气的总流速为300mL/min，空速为127,000 h-1，活性评价温度范围为100-200℃，温度间隔50℃，每个温度点稳定0.5h。催化剂在不同温度下催化还原NOx转化率如图3所示，从图中可以看出催化剂1%Sm/CeO2-rod在100～200℃的温度范围内，氮氧化物的净化效率为10%左右，远远低于1%Sm5%Mn/CeO2-rod催化剂的氮氧化物的净化率。
对比例4
催化剂的制备与对比例2相同，棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的应用步骤为：取0.12 g催化剂置于连续流动的固定床反应器中，通入反应气（500 ppm NO + 500 ppmNH3、5% O2，N2为平衡气），控制反应气的总流速为300mL/min，空速为127,000 h-1，活性评价温度范围为100-200℃，温度间隔50℃，每个温度点稳定0.5h。催化剂在不同温度下催化还原NOx转化率如图3所示，从图中可以看出催化剂5%Mn/CeO2-rod在100～200℃的温度范围内，氮氧化物的净化效率低于1%Sm5%Mn/CeO2-rod催化剂的氮氧化物的净化率。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明情况而举的例子，并不是对实施方式进行了限定。因此，对于该领域的普通技术人员来说，在上述实例的基础上还可以还可以做出其他不同形式的变化。这里也无需对所有的实施方式一一举例，但由此所引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内。

Claims (9)

1.一种棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
S01 制备载体：a将配置好的硝酸铈溶液与氢氧化钠溶液混合并搅拌得到第一混合溶液；
b将第一混合溶液转移至反应釜中高温处理；
c 将高温处理后的样品进行高温焙烧得到棒状氧化铈载体；
S02 制备催化剂：d 制备硝酸钐与硝酸锰的第二混合溶液；
e 将第二混合溶液浸渍到棒状氧化铈载体上；
f 对浸渍后的样品进行高温焙烧得到氧化态催化剂。
2.根据权利要求1所述的棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：混合溶液中硝酸铈与氢氧化钠的摩尔比为1:180。
3.根据权利要求1所述的棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S01中所述的老化处理温度为100~110℃，老化时间为12~24h；老化结束待冷却后先进行干燥处理，干燥温度为60~80℃，干燥时间为12~36h。
4.根据权利要求1所述的棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S01中所述制备的棒状氧化铈前驱体焙烧于马弗炉中，以1℃/min~3℃/min的升温速率升温至450~550℃，并在该温度下焙烧2~4h。
5.根据权利要求1所述的棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S02中对浸渍的样品进行高温焙烧，焙烧于马弗炉中，以1℃/min~3℃/min的升温速率升温至500℃-550℃，并在该温度下焙烧2~3h。
6.根据权利要求1所述的棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：焙烧后制得的氧化态催化剂中， CoO的质量分数为1~5%，MoO3的质量分数分别为5~12%。
7.根据权利要求1所述的棒状氧化铈负载的钐锰复合氧化物催化剂的制备方法，其特征在于：焙烧后制得的氧化物催化剂中，Sm的质量为CeO2-rod 质量的0.5~3%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的3~8%。
8.一种通过权利要求1所述的制备方法制备出的钐锰复合氧化物催化剂。
9.根据权利要求8所述的复合氧化物催化剂，其特征在于：Sm的质量为CeO2-rod 质量的0.5~3%，Mn的质量为CeO2-rod 质量的3~8%。
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