[发明专利]一种用于低浓度甲烷燃烧的耐高温催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及甲烷燃烧催化剂领域，尤其是涉及一种掺杂钙钛矿与钇稳定化锆复合的催化剂及其制备方法。该催化剂尤其适合于低浓度甲烷的催化燃烧。

背景技术

甲烷是一种储量丰富、污染小、热效率高的绿色能源。其中，低浓度甲烷占有较大比例，如煤层坑道气、垃圾填埋场沼气等。由于甲烷热值高，0.5％vol甲烷完全燃烧产生的绝热温升为105.1K，我国仅每年从煤矿风排瓦斯的热值就相当于1.14～1.17×10⁷吨标准煤，排放到大气不仅浪费资源，也加剧了温室效应(甲烷的温室效应是二氧化碳的21～24倍)。甲烷直接燃烧火焰温度很高(＞1600℃)，会产生二次污染。在催化剂的作用下，甲烷起燃温度大大降低，避免了高温火焰燃烧产生的NOx污染。同时，催化燃烧充分、空速高、没有浓度限制，尤其适合对低浓度甲烷的高效利用。

甲烷催化燃烧的催化剂一般有两类：贵金属(Pd，Ru，Pt等)和非贵金属类(钙钛矿、六铝酸盐和复合氧化物等)。贵金属对O-O、C-H键有很强的活化能力，使得原本很稳定的分子形成反应性能极强的自由基，从而触发链反应，因此与非贵金属相比，贵金属显现出更高的催化活性。然而在实际使用中，贵金属存在着稳定性差，易烧结等问题，许多研究者通过改善负载贵金属的载体或是Pd与一种或多种铂族元素联用制成双、多贵金属催化剂的方法来提高其稳定性，但都未达到很显著的效果，且由于其价格昂贵，一直难于工业应用。

在非贵金属类中，钙钛矿型(ABO₃)催化材料颇受研究者青睐。与贵金属催化材料相比，它成本低廉、热稳定性好，而起燃温度与贵金属相近。目前认为，A＝La、Sr；B＝Fe、Co、Ni、Mn组成的钙钛矿对甲烷催化效果最好。华东理工大学工业催化研究所的崔士贞等人(崔士贞，郭耘，张志刚，卢冠忠.La_xSr_1-xNiO₃的制备及在甲烷催化燃烧中的应用[A].第十三届全国催化学术会议论文集[C]，2006.)采用柠檬酸硝酸盐法制备的催化剂La_0.9Sr_0.1NiO₃，起燃温度为335℃，完全转化温度为492℃，与Philippe O Thevenin等人(Philippe O Thevenin，Ana Alcalde，Lars J Pettersson，Sven GJosé Luis Fierro，Catalytic Combustion of Methane over cerium dopped palladium catalysts[J]，Journal of catalysis，2003，215(1)：78～86.)采用湿法浸渍制备的掺杂Ce的2.5％Pd/γ-Al₂O₃的催化活性相近。但在强放热反应中，钙钛矿催化材料也存在高温易烧结，B位元素易流失等问题，因此依然难于工业应用。

内蒙古大学胡瑞生等申请了《一种含双钙钛矿型甲烷催化燃烧催化剂的制备方法》以及《一种甲烷燃烧催化剂的制备方法》(中国专利申请号200810110774.4、200810110775.9)，其研究的钙钛矿催化剂因比表面积较小，催化剂的催化活性受到一定限制，低温催化活性不好，而且没有脱离传统制备工艺经过湿干凝胶的过程，工艺仍然比较复杂。西南化工研究设计院廖炯等申请了《一种矿井乏风甲烷燃烧催化剂及其制备方法》以及《一种乏风瓦斯甲烷燃烧催化剂及其制备方法》(中国专利申请号201010268087.2、201010268086.8)其研究的复合氧化物经过500℃～700℃焙烧4h制得，该发明未对催化剂的寿命进行评价。考虑到甲烷燃烧反应强放热，1vol.％含量的低浓度甲烷完全燃烧时的温度一般高于700℃，该催化剂制备时的低焙烧温度决定了其难以在高于700℃下稳定使用。因此，亟待寻求一种活性高、稳定性好、成本低、易于工业化的催化剂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有优良的热稳定性和低温活性，成本低廉、制备简单的核壳结构的甲烷燃烧催化剂。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于低浓度甲烷燃烧的耐高温催化剂，其特征在于，该催化剂为基于钙钛矿包覆钇稳定化锆纳米颗粒的核壳结构的催化剂，所述的钙钛矿质量百分含量为10～30％，所述的钇稳定化锆质量百分含量为70～90％。

一种用于低浓度甲烷燃烧的耐高温催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：