[发明专利]一种甲烷催化燃烧催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种甲烷催化燃烧催化剂及其制备方法，该催化剂包括载体和负载于载体上的活性组分，活性组分的外部包覆有为其提供氧空位的包覆层，该催化剂还包括催化助剂铈锆固溶体，一方面，通过将包覆层包覆于活性组分的外部，有利于包覆层存储的氧分子及时传递给活性组分，由此保持了催化剂活性组分的高温稳定性；另一方面，本发明所述的催化剂还包括催化助剂铈锆固溶体，铈锆固溶体能产生更多的氧空位，且能够及时有效的储放氧，从而也能提高催化剂活性组分的高温稳定性；此外，包覆层、铈锆固溶体与载体之间相互分散与接触，起到了相互阻隔作用，抑制了载体的烧结，提高了催化剂高温热稳定性和催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种甲烷催化燃烧催化剂及其制备方法。

背景技术

甲烷是一种具有正四面体分子结构的稳定烃类(C-H键键能413kJ/mol)，矿井乏风(VAM)存在大量的低浓度甲烷，传统燃烧无法进行，且回收难度大。在石油和煤矿开采的过程中，会存在大量油田伴生气和煤层气，由于受到技术手段的制约，加之在油田及煤矿开采过程中伴生气相对难以控制，很大一部分含低浓度甲烷的油田(或煤层气)伴生气被排空，除此之外，工业驰放气也总会有大量含甲烷的气体排放出来。若将油田伴生气(或煤层气)和工业驰放气中的甲烷气体直接排放到空气中则会造成严重的温室效应(甲烷的温室效应是CO₂的25倍以上)，因此需要将其通过燃烧转化成温室效应低的CO₂和H₂O。然而，一方面甲烷常规燃烧的可燃浓度约为28％以上，油田伴生气或工业驰放气等含有甲烷的气体中，甲烷浓度较低，不能实现常规燃烧；另一方面甲烷常规燃烧温度高达1600℃，采用传统的燃烧方式会产生较多的NOx、CO、HC等污染物，并且能源利用率低。因此，为了实现低浓度、低污染与高效的燃烧甲烷，需借助催化燃烧的方法，催化燃烧可以在保证燃烧效率的情况下，降低燃烧温度，减少环境污染，催化燃烧的关键在于寻找一种高温稳定性好、催化活性高的催化剂。

目前，甲烷低温燃烧催化剂通常为将贵金属或贵金属氧化物负载在氧化铝或氧化铈载体上制备而成。以氧化铝为载体的负载型贵金属催化剂在进行甲烷催化燃烧的反应中，甲烷优先被贵金属吸附，随后被贵金属氧化物氧化。然而，在高温催化条件下，贵金属氧化物会分解转化为贵金属单质，导致上述催化剂失活；以氧化铈为载体的负载型贵金属催化剂在进行甲烷催化燃烧的反应中，由于二氧化铈载体能产生较多的氧空位，活化氧气分子转为活性氧物种，因此可提高催化剂中贵金属氧化物的稳定性，避免催化剂在高温条件下的失活。然而，单纯的二氧化铈载体热稳定性较差，高温下也易烧结。

为此，中国专利文献CN 103464152 A公开了一种尾气净化用催化剂，该催化剂包括氧化铝载钵、负载在氧化铝上的二氧化铈以及负载在二氧化铈表面的贵金属活性组分，上述催化剂中的氧化铝载体和二氧化铈之间相互分散和接触，起到了相互阻隔作用，因此可避免单纯的二氧化铈载体热稳定性差、高温易烧结的缺陷。但由于上述催化剂中的贵金属活性组分分散于二氧化铈的表面上，在甲烷的催化燃烧过程中，一方面，上述贵金属活性组分与二氧化铈的接触面积较小，造成贵金属无法得到充分的氧供给，使得贵金属在反应过程中无法全部维持氧化态，造成催化剂活性组分在高温条件下的稳定性差，同时也降低了催化剂的催化活性；另一方面，由于贵金属无法得到充分的氧供给，使得催化剂活性组分大多以贵金属单质存在，而贵金属单质在高温条件下易迁移团聚烧结而失活，同样造成上述催化剂高温稳定性差、催化剂的催化活性低。此外，上述催化剂以氧化铝为载体，高温下氧化铝载体容易烧结，使其比表面积明显减小，造成负载的活性组分聚集烧结和催化活性下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中甲烷催化燃烧催化剂的高温稳定性差、催化剂的催化活性低的缺陷，从而提供一种高温稳定性好、催化活性高的甲烷催化燃烧催化剂，进而提供其制备方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：