CN110918082A - 一种双金属氧化物催化剂及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双金属氧化物催化剂及其制备方法和用途，本发明所述双金属氧化物催化剂中包含Nb和Ce两种元素，且两种元素的摩尔比为0.1‑0.5，所述催化剂通过水热法制备得到，两种元素间的协同作用使得催化剂上活性位点的数量明显增加，从而使得催化剂催化氮氧化物转化的低温活性和对产物氮气的选择性均明显提高，在反应空速为50000h‑1的条件下，本发明所述双金属氧化物催化剂催化氨气选择性还原NOx的转化率在186‑338℃的温度区间内均接近100％。

Description

一种双金属氧化物催化剂及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于催化材料领域，涉及一种双金属氧化物催化剂及其制备方法和用途。
背景技术
氮氧化物(NOx)可以引发灰霾、酸雨和光化学烟雾等重大环境问题，控制NOx的排放是环境保护领域面临的一个重大挑战。目前在以NH3为还原剂选择性催化还原NOx(NH3-Selective Catalytic Reduction，NH3-SCR)所用的催化剂体系多为V2O5-WO3(MoO3)/TiO2以及相应的改进体系，广泛用于燃煤电厂、工业锅炉等固定源烟气脱硝净化过程，在较高温度段具有高的NOx净化效率和抗SO2中毒性能。但是催化剂体系存在着活性组分钒具有生物毒性、操作温度窗口较窄、高温时N2O大量生成造成N2选择性下降、高温热稳定性差等缺点。
CN105597737A公开了一种用于NH3-SCR脱硝的复合氧化物催化剂，所述催化剂为由锡、钨和铋的氧化物组成的金属复合氧化物SnOx-WOx-BiOx，其中锡和铋元素的摩尔比为0.1～10.0，锡和钨元素的摩尔比为0.1～10.0；CN102974340A公开了一种蜂窝状V-Ti低温烟气脱硝催化剂的制备方法，该催化剂是以纳米级TiO2为载体，占催化剂质量的70-90％；活性成分为V2O5，占催化剂质量的5-15％，此方案所述催化剂中的V的毒性较大，易对环境造成不利影响。
因此，开发一种制备方法简单且催化效率高、温度窗口宽的复合氧化物催化剂及其制备方法仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双金属氧化物催化剂及其制备方法和用途，本发明所述双金属氧化物催化剂中包含Nb和Ce两种元素，且两种元素的摩尔比为0.1-0.5，所述双金属氧化物催化剂通过水热法制备得到，所述双金属氧化物催化剂中两种元素分布更加均匀，两种元素间的协同作用使得双金属氧化物催化剂上活性位点的数量明显增加，从而使得催化剂催化氮氧化物转化的低温活性和对产物氮气的选择性均明显提高，在反应空速为50000h-1的条件下，本发明所述双金属氧化物催化剂催化氨气选择性还原NOx的转化率在186-338℃的温度区间内均接近100％。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种双金属氧化物催化剂，所述双金属氧化物催化剂的通式为NbCeOx，其中x为满足元素化合价平衡所需的O原子数；所述双金属氧化物催化剂中Nb元素和Ce元素的摩尔比为0.1-0.5，例如0.2、0.3或0.4等，所述双金属氧化物催化剂通过水热法制备得到。
本发明所述双金属氧化物催化剂中包含Nb元素和Ce元素，且Nb元素与Ce元素的摩尔比为0.1-0.5；本发明所述双金属氧化物催化剂中的Nb元素和Ce元素间的协同作用使得催化剂表面产生更多的活性吸附位点，进而使得催化剂具有更高的催化活性，本发明所述催化剂的在186-338℃的温度区间内，其催化氨气选择性还原NOx的转化率均在90％以上，且所述双金属氧化物催化剂在催化过程中对氮气具有高的选择性。
本发明所述双金属氧化物催化剂采用水热法制备，水热法制备过程中铈源和Nb源经水热复合后，催化剂中Nb、Ce两种组分高度分散，Nb作为酸性位点，Ce作为氧化还原位点，促进两种位点的协同作用，进而使得催化剂的活性明显提高。
本发明所述双金属氧化物催化剂采用水热法制备得到，其在催化氨气选择性还原NOx的过程中，在较低温度下对氮氧化物仍具有较高的转化率，其在166℃时，对氮氧化物的转化率即在60％以上。
优选地，所述双金属氧化物催化剂中Nb元素与Ce元素的摩尔比为0.2-0.3，例如0.21、0.23、0.25、0.27或0.29等。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的双金属氧化物催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)配制铈源和铌源的水溶液；
(2)在步骤(1)得到的水溶液中加入碱源，之后进行水热处理，焙烧，得到所述双金属氧化物催化剂。
优选地，步骤(1)所述铈源包括硝酸铈。
优选地，步骤(1)所述铌源包括草酸铌。
步骤(1)所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.1-0.5mol/L，例如0.15mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L、0.3mol/L、0.35mol/L、0.4mol/L或0.45mol/L等。
优选地，步骤(2)所述碱源包括氢氧化钠。
优选地，步骤(2)所述碱源的物质的量与步骤(1)所述水溶液中金属离子的物质的量之比为40-60，例如45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58或59等。
优选地，步骤(2)所述水热处理的温度为30-200℃，例如50℃、70℃、90℃、110℃、130℃、150℃、170℃或190℃等。
优选地，步骤(2)所述水热处理的时间为12-24h，例如15h、18h、20h或22h等。
优选地，步骤(2)中水热处理之后，焙烧之前，还包括将水热处理的产物进行洗涤、干燥。
优选地，所述洗涤使用的洗涤剂包括水和乙醇。
优选地，所述干燥的温度为60-100℃，例如70℃、80℃或90℃等。
优选地，所述干燥的时间为12-24h，例如13h、15h、18h、20h或22h等。
优选地，步骤(2)所述焙烧的温度为450-600℃，例如480℃、500℃、520℃、550℃或580℃等，优选为500-550℃。
优选地，步骤(2)所述焙烧的时间为3-6h，例如4h、4.5h、5h或5.5h等，优选为4-5h。
作为本发明优选的技术方案，所述双金属氧化物催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1＇)将硝酸铈和草酸铌溶于水中，得到含有硝酸铈和草酸铌的水溶液，所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.1-0.5mol/L；
(2＇)在步骤(1＇)的水溶液中加入氢氧化钠，所述氢氧化钠的摩尔量与步骤(1＇)中水溶液中金属离子的摩尔量之比为40-60；之后将其置于30-200℃的温度下进行水热处理12-24h，冷却后固液分离，用水和乙醇洗涤，在60-100℃条件下干燥12-24h，在500-550℃下焙烧4-5h，得到所述双金属氧化物催化剂。
第三方面，本发明提供了如第一方面所述的双金属氧化物催化剂的用途，所述双金属氧化物催化剂用于催化氨气选择性还原氮氧化物。
优选地，所述双金属氧化物催化剂用于固定源和/或移动源中氮氧化物的脱除。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述双金属氧化物催化剂中包含Nb和Ce两种元素，其通过水热法制备得到，且控制两种元素的摩尔比为0.1-0.5，所述双金属氧化物催化剂中Nb和Ce间的相互作用使得催化剂表面暴露出更多的活性位点，且水热法制备使得所述催化剂中两种元素分布更加均匀，使得催化剂的低温活性明显提高，本发明所述双金属氧化物催化剂在186-338℃的温度区间内，催化氨气选择性还原NOx的转化率均在90％以上，且所述催化剂在催化氨气还原NOx的过程中对氮气具有优异的选择性；
(2)本发明所述双金属氧化物催化剂的制备过程简单，易于工业化应用。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
双金属氧化物催化剂的制备方法：
(1＇)将硝酸铈和草酸铌溶于水中，得到含有硝酸铈和草酸铌的水溶液，所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.23mol/L；所述硝酸铈与草酸铌的摩尔比为4:1；
(2＇)在步骤(1＇)的水溶液中加入氢氧化钠，所述氢氧化钠的摩尔量与步骤(1＇)中水溶液中金属离子的摩尔量之比为54；之后将其置于100℃的温度下进行水热处理15h，冷却后固液分离，用水和乙醇洗涤，在100℃条件下干燥12h，在550℃下焙烧4h，得到所述催化剂。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1＇)中草酸铌与硝酸铈的摩尔比为0.1；碱源与金属离子的摩尔比为40；其他条件与实施例1相比完全相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1＇)中草酸铌与硝酸铈的摩尔比为0.5；碱源与金属离子的摩尔比为60；其他条件与实施例1相比完全相同。
对比例1
本对比例所述催化剂采用浸渍法制备，其制备方法如下所示：
(a)制备氧化铈，所述氧化铈的制备方法包括将硝酸铈溶于水中，得到含有硝酸铈的水溶液，所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.23mol/L；之后在水溶液中加入氢氧化钠，所述氢氧化钠的摩尔量与水溶液中金属离子的摩尔量之比为54；之后将其置于100℃的温度下进行水热处理15h，冷却后固液分离，用水和乙醇洗涤，在100℃条件下干燥12h，在550℃下焙烧4h，得到所述氧化铈；
(b)配制草酸铌水溶液，将步骤(a)中的氧化铈浸渍在草酸铌溶液中，之后蒸发水，干燥，550℃焙烧4h，得到本对比例所述催化剂，所得催化剂中Nb的负载量为20％。
对比例2
本对比例采用单独氧化铈作为催化剂，所述氧化铈的制备方法包括将硝酸铈溶于水中，得到含有硝酸铈的水溶液，所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.23mol/L；之后在水溶液中加入氢氧化钠，所述氢氧化钠的摩尔量与水溶液中金属离子的摩尔量之比为54；之后将其置于100℃的温度下进行水热处理15h，冷却后固液分离，用水和乙醇洗涤，在100℃条件下干燥12h，在550℃下焙烧4h，得到所述氧化铈，即为本对比例所述催化剂。
对比例3
本对比例所述催化剂采用共沉淀法制备，其制备方法如下所示：
(a＇)将硝酸铈和草酸铌溶于水中，得到含有硝酸铈和草酸铌的水溶液，所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.23mol/L；所述硝酸铈与草酸铌的摩尔比为4:1；
(b＇)在步骤(a＇)的水溶液中加入氢氧化钠，待沉淀完全后，用水和乙醇洗涤，干燥，550℃焙烧4h，得到所述本对比例所述催化剂。
性能测试：
将实施例1-3和对比例1-3制备得到的催化剂进行研磨筛分，得到40-60目的催化剂颗粒，待测；
测试条件：测试过程在固定床反应器中进行，模拟烟气的组成为：500ppm NH3，500ppm NO，5％O2，氮气为平衡气；模拟烟气总流量为500mL/min，反应空速为50000h-1，催化剂的活性测试结果(即为氮氧化物转化率，％)如表1所示；
表1
Figure BDA0002316681130000071
由上表可以看出，本发明实施例1中所述催化剂的低温活性明显优于对比例1-3中所得催化剂，从而说明本发明所述催化剂采用水热法制备使得所述催化剂中Nb和Ce的分布更加均匀，从而产生更多的催化活性位点，使得催化剂的低温活性得到改善。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种双金属氧化物催化剂，其特征在于，所述双金属氧化物催化剂的通式为NbCeOx，其中x为满足元素化合价平衡所需的O原子数；所述双金属氧化物催化剂中Nb元素和Ce元素的摩尔比为0.1-0.5，所述双金属氧化物催化剂通过水热法制备得到。
2.如权利要求1所述的双金属氧化物催化剂，其特征在于，所述双金属氧化物催化剂中Nb元素与Ce元素的摩尔比为0.2-0.3。
3.如权利要求1或2所述的双金属氧化物催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)配制铈源和铌源的水溶液；
(2)在步骤(1)得到的水溶液中加入碱源，之后进行水热处理，焙烧，得到所述双金属氧化物催化剂。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述铈源包括硝酸铈；
优选地，步骤(1)所述铌源包括草酸铌。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.1-0.5mol/L。
6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述碱源包括氢氧化钠；
优选地，步骤(2)所述碱源的摩尔量与步骤(1)所述水溶液中金属离子的摩尔量之比为40-60。
7.如权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述水热处理的温度为30-200℃；
优选地，步骤(2)所述水热处理的时间为12-24h。
8.如权利要求3-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中水热处理之后，焙烧之前，还包括将水热处理的产物进行洗涤、干燥；
优选地，所述洗涤使用的洗涤剂包括水和乙醇；
优选地，所述干燥的温度为60-100℃；
优选地，所述干燥的时间为12-24h；
优选地，步骤(2)所述焙烧的温度为450-600℃，优选为500-550℃；
优选地，步骤(2)所述焙烧的时间为3-6h，优选为4-5h。
9.如权利要求3-8任一项所述的方法，其特征在于，所述双金属氧化物催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1＇)将硝酸铈和草酸铌溶于水中，得到含有硝酸铈和草酸铌的水溶液，所述水溶液中金属离子的摩尔浓度为0.1-0.5mol/L；
(2＇)在步骤(1＇)的水溶液中加入氢氧化钠，所述氢氧化钠的摩尔量与步骤(1＇)中水溶液中金属离子的摩尔量之比为40-60；之后将其置于30-200℃的温度下进行水热处理12-24h，冷却后固液分离，用水和乙醇洗涤，在60-100℃条件下干燥12-24h，在500-550℃下焙烧4-5h，得到所述双金属氧化物催化剂。
10.如权利要求1或2所述的双金属氧化物催化剂的用途，其特征在于，所述双金属氧化物催化剂用于催化氨气选择性还原氮氧化物；
优选地，所述双金属氧化物催化剂用于固定源和/或移动源中氮氧化物的脱除。
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