[发明专利]高效催化燃烧碳烟颗粒的非贵金属负载型多级孔沸石分子筛催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于催化材料技术领域，具体涉及用于柴油车尾气净化的一种高效催化燃烧碳烟颗粒的非贵金属负载型多级孔沸石分子筛催化剂及其制备方法。

背景技术

柴油车由于其经济、热效高以及航程长等优势而在实际生活中得到广泛的应用。然而，柴油机排放的颗粒物(PM，主要为碳黑颗粒)和氮氧化物严重危害了环境和人类，因此，高效的后处理净化工艺势在必行。通常，一个微粒过滤器(DPF)被用来收集柴油车尾气中的碳黑颗粒，收集的碳黑颗粒可以在一个相当高的温度(>600℃)被O₂氧化。然而，柴油机的排气温度一般在150到400℃，其较低的温度难以让尾气中的碳黑颗粒得以燃烧，长期使用后导致DPF失活。因此，开发一种高效的催化剂，使碳黑颗粒在较低的温度下完全氧化是一项迫在眉睫的工作。

常见的用于碳烟颗粒氧化的催化剂，如：CeO₂基化合物、钙钛矿氧化物、贵金属基氧化物等，由于缺乏多级孔结构的设计从而大大减少了暴露的活性位点的数量，导致较低的有效接触面积，因而在碳黑颗粒的氧化中显示出较低的催化活性。贵金属基催化剂虽然具有优异的高效催化催化性能，但是其高的催化活性也容易产生硫酸盐，造成硫中毒，导致催化剂失活。除此之外，柴油车废气中除NOx和O₂还有大量的水蒸汽和硫化物，因此，在实际的催化应用中，催化剂的耐水性和抗硫性必须要考虑，而目前所报道的催化剂对其研究甚少。因此，研究高抗水性和高抗硫性的非贵金属基催化剂用于汽车尾气中碳烟颗粒的燃烧具有十分重要的意义。

研究发现，在柴油车尾气碳烟颗粒的催化脱除反应中，作为活性成分的过渡金属氧化物的高度分散以及大的多级孔孔道的存在对该催化反应具有显著的效果。因此，多级孔沸石作为一种新型催化剂具有广泛的应用前景，其不仅具有沸石的晶化结构、高的水热稳定性和骨架酸性，而且其独特的分级孔结构大大提高了催化剂的比表面积和孔容。此外，使用多级孔沸石催化剂作为载体材料，进一步掺杂或者负载一些活性组分，可以提高活性成分的分散度，从而在催化领域方面展现出优异的催化性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种非贵金属负载型多级孔沸石分子筛催化剂，使其不仅能够在较低温度下实现碳烟颗粒的催化氧化，并且具有优异的抗水汽中毒和抗硫中毒能力，同时还具有优异的重复使用性能。

在此，一方面，本发明提供一种非贵金属负载型多级孔沸石分子筛催化剂，包括作为催化载体的多级孔沸石、以及均匀分散于所述多级孔沸石中的催化活性组分，所述催化活性组分主要为不含贵金属的过渡金属Cu、Mn和Ti的氧化物，所述催化活性组分的负载量为10～20wt％。

本发明的催化剂中，以具有大的比表面积和孔容的多级孔沸石为催化载体，从而催化活性组分可以大量地高度分散于催化载体中，可以增大暴露的活性位点的数量，提高有效接触面积，提高催化效果，且在低温下即可实现催化，能将碳烟颗粒的燃尽温度(T₉₀)降低到400℃左右。以非贵金属的过渡金属Cu、Mn和Ti的氧化物为催化活性组分，其不仅较为廉价从而降低成本，而且具有高抗水性和高抗硫性。此外，本发明的催化剂由于具有独特的多级孔结构以及高含量且高度分散的催化活性组分，因此具有优异的重复使用性能，可以降低成本且利于环保。

较佳地，Cu的氧化物的负载量为4wt％～8wt％，Mn的氧化物的负载量为4wt％～8wt％，Ti的氧化物的负载量为2wt％～4wt％。

较佳地，所述多级孔沸石的比表面积为350～500m²/g，孔容为0.45～0.70cm³/g，介孔孔径为6～50nm。由于多级孔沸石具有高的比表面积，因此有助于活性组分的高度分散。

另一方面，本发明还提供上述非贵金属负载型多级孔沸石分子筛催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含有硅源、铝源、结构导向剂、介孔模板剂的第一混合溶液进行水热晶化处理后固液分离、将分离出的固体煅烧除去结构导向剂和介孔模板剂，得到粉体材料；

(2)将所得的粉体材料加入到碱溶液中进行刻蚀处理，得到多级孔沸石分子筛载体材料；

(3)将所得的多级孔沸石分子筛载体材料加至铜盐、锰盐和钛盐的第二混合溶液中，通过离子交换在所述多级孔沸石分子筛载体材料中负载铜离子、锰离子和钛离子，得到催化剂前驱体；

(4)将所得的催化剂前驱体在500～550℃焙烧4～10小时，即得到非贵金属负载型多级孔沸石分子筛催化剂。