[发明专利]一种氧化石墨烯基稀土复合物催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的催化剂材料，可用于天然气汽车尾气、矿井乏风以及工业废气的净化处理领域。具体为一种新型结构氧化石墨烯基稀土复合物催化材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的快速发展，能源短缺与环境问题越来越严重。天然气是一种新型的清洁能源，具有燃烧效率高、不易产生污染，运输使用方便等优点，作为一种清洁的替代能源引起了人们的广泛关注。然而天然气的主要成分甲烷是一种很难活化的烃类，使用传统的燃烧方式需要在非常高的温度下进行，不完全燃烧后的甲烷气体残留也会对环境造成污染(其温室效应是CO₂的25倍)。针对这一环境污染状况，催化燃烧应运而生，催化燃烧可在较低的温度下进行反应，能有效地提高热转化率，减少不完全燃烧残留并避免有害污染气体的产生，这一技术受到了广泛关注。催化剂的选择是催化燃烧的关键，催化剂的研究主要分为两类：贵金属型催化剂和非贵金属型催化剂。其中贵金属型催化剂以其高的低温催化活性被公认为是最有效的催化剂，但其昂贵的价格严重限制了它的商业应用；非贵金属催化剂中的钙钛矿型催化剂因具有价格低廉、热稳定性好以及活性好等优点而有望取代贵金属催化剂。

甲烷催化燃烧过程为非均相反应。因此，可接触反应物的固体催化剂的表面在催化过程中具有重要作用。传统地，最大化扩大催化剂的表面积是提高甲烷催化过程的一大重点，实现方式主要有以下几种：一是制备独特几何构造的高比表面积材料和多孔性材料；二是通过化学方法对催化剂进行后处理将其“活化”或“再生”。

现有技术中也有报道制备表面活化的催化材料的方法，例如Wei Cai等人(Fractional-hydrolysis-driven formation of nonuniform dopant concentration catalyst nanoparticles of Cr/Ce_xZr_1-xO₂and their catalysis in oxidation of NO.Chemical Engineering Journal,2014,236:223-232.)采用水相反应法通过控制Zr⁴⁺和Ce³⁺的水解过程制备了表面富含Ce的铈锆固溶体催化剂，并采用浸渍法对其进行后处理使Cr富集在催化剂表面。结果表明，该表面异质性催化剂相比传统溶胶凝胶法制备的催化剂的催化氧化NO活性有大幅提高，但该催化剂只能选择催化氮氧化物，不适合用于甲烷等烃类的催化燃烧。

专利CN 102029161A(2011)利用水热法合成了一种含镍的甲烷燃烧催化剂前驱物，再将催化剂前驱物经过滤、洗涤、干燥、焙烧、成型、再焙烧及还原后形成甲烷化催化剂，制得的催化剂特别适用于温度适用范围介于500-700℃之间的高温反应过程，但不适合用于甲烷低温催化氧化。

石墨烯是由碳原子以SP²杂化方式连接的单原子层二维碳材料，它的部分独特的性质也是因为其与众不同的结构，如高的比表面积、优异的导热性能、良好机械性能及优良电子传递能力。

氧化石墨烯是石墨经化学氧化及剥离后的单一原子层的产物，可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。研究表明氧化石墨烯具有两亲性，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量，其双亲性使其能够作为载体材料与其他材料复合形成新材料。氧化石墨烯是理想的催化剂载体材料主要有以下两点原因：一是其具有大的开放表面可以使活性组分更好的分散；二是它独特的电子特性和优良的传质特征，可使催化剂的活性组分催化性能增强。

由以上研究可以得到启发，利用水热法并添加合适的添加剂对钙钛矿型稀土氧化物进行表面活化，并利用水热法实现其与大比表面积的氧化石墨烯的复合，从而制备出新型的功能化催化材料。

关于稀土氧化物催化剂的甲烷催化燃烧及其性能研究，本课题组已有多项发明。为了更清晰的说明本发明的创新点，此处对本课题组报道的相关专利进行说明予以区别。