[发明专利]一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用，所述的整装结构化金催化剂是一种在骨架基体上先锚附Al₂O₃纳米片形成整装结构化基体，再在该整装结构化基体上外延生长金属氧化物纳米片层使形成整装结构化载体，最后在该整装结构化载体上负载纳米金颗粒得到；在所述的整装结构化金催化剂中，纳米金颗粒所占的质量百分比为0.05～5.0％，金属氧化物所占的质量百分比为0.5～10％，余量为整装结构化基体。实验表明：本发明提供的整装结构化金催化剂导热性好、渗透率高、结构稳定，且具有结构有序和形貌定型化特征，能充分满足一氧化碳氧化反应和水汽变换反应的催化性能要求，且低温催化性能优异，能实现CO的完全转化。

技术领域

本发明是涉及一种催化剂及其制备方法和应用，具体说，是涉及一种整装结构化金催化剂及其制备方法和应用，属于催化技术领域。

背景技术

随着环境污染的加剧，新型燃料电池的开发以及空气、汽车尾气的快速净化受到越来越广泛的关注。通过负载型催化剂在富氢气体或空气氛中于较大温度范围内催化一氧化碳高效氧化，可解决燃料电池原料气中痕量一氧化碳毒化贵金属铂电极的问题，也可实现空气的快速净化。在实际生产链中，催化剂成本仅占总成本不足10％，因此负载型催化剂在实际生产中具有非常广阔的应用前景。

一氧化碳催化氧化主要有空气氛中一氧化碳催化氧化及富氢气体中一氧化碳优先氧化等方式。负载型催化剂主要包括催化剂载体及负载在催化剂载体上的活性组分，目前用于一氧化碳催化氧化的催化剂活性组分主要有贵金属(钯、铂、金)和非贵金属(铜、铈)。与非贵金属催化剂相比，贵金属催化剂具有更高的低温反应活性，因此被广泛的应用于一氧化碳催化氧化过程。目前常用的催化剂载体主要有氧化铝、氧化铁、氧化钛、氧化铈、氧化镍及部分稀土金属氧化物，以及镁铝、铁铝水滑石等(如中国专利CN201510597861.7、CN201410729207.2、CN201410270899.9和CN201310308039.5)。但是一氧化碳氧化反应为强放热反应(ΔH⁰＝-283kJ/mol)，例如在高浓度一氧化碳氧化过程中，若以上述导热性能较差的氧化物材料为载体，源于强放热的一氧化碳氧化，催化剂床层容易发生“起燃”现象，从而引起催化剂床层温度急剧升高，导致催化剂的烧结失活；同时，使用上述氧化物粉末做载体的催化剂还容易导致较高的压力降，进而对反应装置提出了比较高的要求，甚至引发安全事故。为了消除反应过程中气体内扩散和外扩散的限制，目前一般采用减小催化剂颗粒粒径或(和)增大反应气流速等方式，然而会进一步导致高压降，进而带来诸多能耗和安全等方面的问题。

另外，低温水汽变换反应主要用于烃类蒸汽转化制氢及调节合成气中的一氧化碳含量等工业过程，近年来，随着燃料电池的研制开发，富氢条件下一氧化碳的脱除问题引起广泛关注。在用于水汽变换反应的铁铬高温催化剂、Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂以及贵金属(Au、Pt、Pd)催化剂等催化剂体系中，金基催化剂表现出较高的低温反应活性与选择性。现有技术用于低温水汽变换反应的金基催化剂主要为负载型催化剂，例如以氧化铁、氧化钛、氧化铈和氧化铬等为载体的金基催化剂。而负载型催化剂所常用的氧化铁、氧化钛、氧化铈和氧化铬等氧化物载体，由于其低导热性能而无法及时移除该反应所放出的大量反应热，导致催化剂床层局部热点的形成，进而导致催化剂烧结失活和/或反应“飞温”失控，甚至引发安全事故。因此，研制开发具有热质传递性能好、适于高通量低压降操作的催化剂具有十分重要的实际意义。

另外，中国发明专利“CN201410168177一种整装式催化剂及其制备方法和应用”中公开了一种多孔化的锚附氧化物的金属相载体上负载活性贵金属的催化剂及其在甲烷和VOCs催化燃烧中的应用，虽然该专利说明书中提到所述的活性贵金属包括钯、铂、钌、铑、铱、金、银中的至少一种，但在该专利实施例和应用例中仅仅以钯为例，并未公开金催化剂的制备和催化性能；而众所周知，金催化剂的催化性能对形貌和结构特别敏感，但该专利所制得的含贵金属多孔氧化物层呈现无定型形貌，很显然难以获得具有良好低温催化CO氧化性能的金催化剂(具体可详见本发明的对比例和应用对比例)。