CN110270321A - 一种铈硅复合氧化物的制备方法及其产物和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铈硅复合氧化物的制备方法及其产物和应用,将硝酸铈铵和正硅酸四乙酯(TEOS)混合溶于乙醇中,在搅拌下滴加浓氨水至沉淀完全,经过老化,过滤,洗涤,烘干和焙烧后得到铈硅复合氧化物,其相比于纯CeO2具有更大的比表面积,更强的酸性和特别的表面吸附机制,有效提升了CeO2催化NH3‑SCR反应的活性。该铈硅复合氧化物作为烟气脱硝催化剂,中低温活性更好,N2选择性高,抗硫中毒性能优越,环境友好;其制备方法简便,原料简单易得,可大规模生产,具有广泛的工业应用前景等。
Description
技术领域
本发明属于烟气脱硝催化剂领域,具体涉及一种铈硅复合氧化物的制备方法及其产物和应用。
背景技术
近年来,大气污染问题越来越得到人们的重视,其中燃煤电厂烟气中的氮氧化物(NOx)是污染的重要来源,对烟气进行脱硝处理刻不容缓。研究表明,NH3选择性催化还原NOx(NH3-SCR)是燃煤电厂烟气脱硝最有效的办法,并已经成熟应用在烟气脱硝领域。
现阶段,用于催化NH3-SCR反应最成熟的商用催化剂是V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂。该催化剂在中高温段(300-400℃)具有良好的活性。但是其在中高温段N2选择性较差,低温段活性又不够理想,V2O5还具有生物毒性。基于以上原因,寻找一种具有优良活性和选择性且环境友好的不含钒催化剂正在成为新的研究热点。
CeO2具有特殊的八面体构型,容易在晶体内产生氧缺陷,因而具有良好的氧化还原能力。且Ce作为储量最大的稀土元素,价格相对低廉。CeO2作为助剂,载体或活性组分等已被应用在NH3-SCR领域中,但纯CeO2表面酸性较弱,比表面积较小。将SiO2掺入Ce/TiO2或V/TiO2中可以有效增加催化剂的酸性位点,增大催化剂比表面积,进而提升催化剂的NH3-SCR活性。且CeO2和SiO2均无生物毒性,CeO2还体现出良好的抗硫潜力。因此,将CeO2和SiO2结合起来的铈硅复合氧化物可能是一种潜在的具有良好应用前景的NH3-SCR催化剂。
发明内容
发明目的:针对现有技术存在的上述问题,本发明的目的在于提供一种铈硅复合氧化物的制备方法,原料简单易得,成本低廉,方法简便。本发明的另一目的在于提供铈硅复合氧化物,作为烟气脱硝催化剂,低温活性更好,N2选择性高,抗硫中毒性能优越,可应用在燃煤电厂烟气脱硝中。
技术方案:为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
一种铈硅复合氧化物的制备方法,包括如下步骤:
1)将硝酸铈铵溶于乙醇,得到的硝酸铈铵乙醇溶液,在搅拌下滴加正硅酸四乙酯(TEOS),得到混合溶液,所述混合溶液中的硝酸铈铵和正硅酸四乙酯的摩尔比为4∶1-1∶4,继续搅拌;
2)步骤1)所得混合溶液在搅拌下滴加浓氨水,产生沉淀,老化沉淀;
3)步骤2)所得沉淀经过过滤,洗涤,干燥,焙烧,得到铈硅复合氧化物。
优选地,所述硝酸铈铵乙醇溶液,其浓度为0.005mol/L~0.2mol/L。
优选地,所述继续搅拌的时长为1h。
优选地,所述滴加浓氨水至所述混合溶液的pH=10时停止,所述浓氨水的浓度为13.2mol/L。
优选地,所述老化沉淀的时间为12h。
优选地,所述洗涤是用去离子水洗涤3次,所述干燥是在100℃的烘箱中干燥12h。
优选地,所述焙烧是在马弗炉中,温度为550℃,时长4h。
所述的铈硅复合氧化物的制备方法得到的铈硅复合氧化物。
优选地,所述的铈硅复合氧化物,为Ce-2Si。
所述的铈硅复合氧化物作为烟气脱硝催化剂的应用。
本发明的原理:由于硝酸铈铵和TEOS均能溶于乙醇,且向溶液中滴加浓氨水后硝酸铈铵和TEOS均能快速水解沉淀,因此采用共沉淀法,将硝酸铈铵和TEOS在乙醇中溶解并混合均匀后逐滴滴加过量的氨水,使其沉淀完全,然后经老化、洗涤、干燥、焙烧即可制得铈硅复合氧化物催化剂。
有益效果:相比于现有技术,本发明的优点为:
(1)本发明提供的一种铈硅复合氧化物的制备方法,原料简单易得,成本低廉,环境友好,制备方法简便,可大规模生产;
(2)本发明提供的铈硅复合氧化物,相较纯CeO2,SiO2的掺杂使其具有更大的比表面积,更强的酸性和特别的表面吸附机制,有效提升了CeO2的NH3-SCR活性,且进一步提升了催化剂的抗水抗硫性能;该铈硅复合氧化物作为烟气脱硝催化剂,中低温活性好,N2选择性高,抗硫中毒性能优越,且环境友好,具有广泛的工业应用前景。
附图说明
图1为铈硅复合氧化物催化剂和纯CeO2的X射线衍射(XRD)结果图;
图2为铈硅复合氧化物催化剂和纯CeO2的拉曼光谱(Raman)结果图;
图3为铈硅复合氧化物催化剂和纯CeO2的NH3-SCR反应结果图,其中(a)为NO转化率,(b)为N2选择性;
图4为铈硅复合氧化物催化剂在250℃时的抗硫性能测试结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1:CeO2催化剂的制备
准确称取6.37g硝酸铈铵溶于150mL乙醇中,继续搅拌1h,然后在搅拌下逐滴滴加浓氨水到上述混合溶液中至pH=10,使其沉淀完全,过夜老化12h后过滤,用去离子水洗涤3次,100℃的烘箱中干燥12h,然后在空气气氛下在马弗炉中经550℃焙烧4h,即制得CeO2催化剂。其XRD、Raman、NH3-SCR活性以及抗硫性能测试结果见图1-4。
实施例2:4Ce-Si催化剂的制备
准确称取6.37g硝酸铈铵溶于150mL乙醇中,搅拌下滴加0.65mL的TEOS,继续搅拌1h,然后在搅拌下逐滴滴加浓氨水到上述混合溶液中至pH=10,使其沉淀完全,过夜老化12h后过滤,用去离子水洗涤3次,100℃的烘箱中干燥12h,然后在空气气氛下在马弗炉中经550℃焙烧4h,即制得铈硅复合氧化物催化剂,简记为4Ce-Si。其XRD、Raman、NH3-SCR活性测试结果见图1-3。
实施例3:2Ce-Si催化剂的制备
准确称取6.37g硝酸铈铵溶于150mL乙醇中,搅拌下滴加1.30mL的TEOS,继续搅拌1h,然后在搅拌下逐滴滴加浓氨水到上述混合溶液中至pH=10,使其沉淀完全,过夜老化12h后过滤,用去离子水洗涤3次,100℃的烘箱中干燥12h,然后在空气气氛下在马弗炉中经550℃焙烧4h,即制得铈硅复合氧化物催化剂,简记为2Ce-Si。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、催化性能测试(NH3-SCR反应)、抗硫中毒性能测试等表征手段来对其体相结构以及催化性能进行评价,其结果见图1-3。图1的XRD结果表明,在本发明所提及的投料浓度范围内,Ce和Si能很好地混合在一起,CeO2的结晶程度很低,SiO2降低了CeO2的结晶程度。图2的Raman的结果也说明CeO2的晶体结构被破坏,CeO2和SiO2之间产生了强的相互作用,氧缺陷浓度升高。图3的NH3-SCR反应结果表明铈硅复合氧化物催化剂的催化性能明显优于CeO2,图中,铈硅复合氧化物NO转化率高达90%左右,其N2选择性接近100%,随着温度增加缓慢降低,而纯CeO2的NO转化率最高只有30%不到,其N2选择性随着温度增加迅速降低。
实施例4:Ce-Si催化剂的制备
准确称取6.37g硝酸铈铵溶于150mL乙醇中,搅拌下滴加2.59mL的TEOS,继续搅拌1h,然后在搅拌下逐滴滴加浓氨水到上述混合溶液中至pH=10,使其沉淀完全,过夜老化12h后过滤,用去离子水洗涤3次,100℃的烘箱中干燥12h,然后在空气气氛下在马弗炉中经550℃焙烧4h,即制得铈硅复合氧化物催化剂,简记为Ce-Si。其XRD、Raman、NH3-SCR活性测试结果见图1-3。
实施例5:Ce-2Si催化剂的制备
准确称取6.37g硝酸铈铵溶于150ml乙醇中,搅拌下滴加5.18mL的TEOS,继续搅拌1h,然后在搅拌下逐滴滴加浓氨水到上述混合溶液中至pH=10,使其沉淀完全,过夜老化12h后过滤,用去离子水洗涤3次,100℃的烘箱中干燥12h,然后在空气气氛下在马弗炉中经550℃焙烧4h,即制得铈硅复合氧化物催化剂,简记为Ce-2Si。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、催化性能测试(NH3-SCR反应)、抗硫中毒性能测试等表征手段来对其体相结构以及催化性能进行评价,其结果见图1-4。图1的XRD结果表明,在本发明所提及的投料浓度范围内,Ce和Si能很好地混合在一起,当Ce与Si的摩尔比小于等于1:2时,CeO2的结晶程度很低,SiO2降低了CeO2的结晶程度。图2的Raman的结果也说明CeO2的晶体结构被破坏,CeO2和SiO2之间产生了强的相互作用,氧缺陷浓度升高。图3的NH3-SCR反应结果表明铈硅复合氧化物催化剂的催化性能明显优于CeO2,图中,铈硅复合氧化物NO转化率高达90%左右,其N2选择性接近100%,随着温度增加缓慢降低,而纯CeO2的NO转化率最高只有30%不到,其N2选择性随着温度增加迅速降低。图4中显示,铈硅复合氧化物在250℃表现出优异的抗硫中毒性能,NO转化率长时间稳定在90%以上,没有明显下降趋势,而CeO2的NO转化率下降严重,表现出明显的硫中毒特点。
实施例6:Ce-4Si催化剂的制备
准确称取6.37g硝酸铈铵溶于150ml乙醇中,搅拌下滴加10.36mL的TEOS,继续搅拌1h,然后在搅拌下逐滴滴加浓氨水到上述混合溶液中至pH=10,使其沉淀完全,过夜老化12h后过滤,用去离子水洗涤3次,100℃的烘箱中干燥12h,然后在空气气氛下在马弗炉中经550℃焙烧4h,即制得铈硅复合氧化物催化剂,简记为Ce-4Si。其XRD、Raman、NH3-SCR活性测试结果见图1-3。
实施例7:铈硅复合氧化物脱硝催化性能测定
将制备的铈硅复合氧化物催化剂应用于NH3-SCR反应,具体反应条件如下:催化反应测试在固定床连续流动石英反应器中进行。催化剂粒度为60-80目,用量为250mg。反应气体组成为:500ppm NO,500ppm NH3,200ppm SO2,5%O2,N2作平衡气,反应中的气体空速为30000mL·g-1·h-1。在反应前,催化剂需用高纯N2在200℃下吹扫1h。催化反应在50-450℃进行,活性数据在反应达到平衡后采集。产物由Thermofisher IS10 FTIR检测分析,NO转化率和N2选择性通过以下公式计算:
其结果见附图3,铈硅复合氧化物Ce-2Si表现出很好的催化性能(NO转化率,N2选择性和抗硫中毒能力),结果表明铈硅复合氧化物催化剂具有优越的催化性能,NO转化率和N2选择性均高于纯CeO2。
Claims (10)
1.一种铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将硝酸铈铵溶于乙醇,得到的硝酸铈铵乙醇溶液,在搅拌下滴加正硅酸四乙酯,得到混合溶液,所述混合溶液中的硝酸铈铵和正硅酸四乙酯的摩尔比为4∶1-1∶4,继续搅拌;
2)步骤1)所得混合溶液在搅拌下滴加浓氨水,产生沉淀,老化沉淀;
3)步骤2)所得沉淀经过过滤,洗涤,干燥,焙烧,得到铈硅复合氧化物。
2.根据权利要求1所述的铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,步骤1)中所述硝酸铈铵乙醇溶液,其浓度为0.005mol/L~0.2mol/L。
3.根据权利要求1所述的铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,步骤1)中所述继续搅拌的时长为1h。
4.根据权利要求1所述的铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述滴加浓氨水至所述混合溶液的pH=10时停止,所述浓氨水的浓度为13.2mol/L。
5.根据权利要求1所述的铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述老化沉淀的时间为12h。
6.根据权利要求1所述的铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,步骤3)中所述洗涤是用去离子水洗涤3次,所述干燥是在100℃的烘箱中干燥12h。
7.根据权利要求1所述的铈硅复合氧化物的制备方法,其特征在于,步骤3)中所述焙烧是在马弗炉中,温度为550℃,时长4h。
8.权利要求1-7所述的铈硅复合氧化物的制备方法得到的铈硅复合氧化物。
9.根据权利要求8所述的铈硅复合氧化物,其特征在于,所述的铈硅复合氧化物为Ce-2Si。
10.权利要求8所述的铈硅复合氧化物作为烟气脱硝催化剂的应用。
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