[发明专利]一种复合金属氧化物催化剂及其制备方法和在催化氮氧化物直接分解中的应用

说明书

本发明公开一种复合金属氧化物催化剂及其制备方法和在催化氮氧化物直接分解中的应用，该催化剂为MgO负载的K₂NiF₄型金属氧化物，制备方法为一步法，使用柠檬酸硝酸盐法，在制备K₂NiF₄型金属氧化物前驱体溶液的过程中加入硝酸镁，预烧并焙烧得到复合金属氧化物催化剂。本发明具有产率高，原料价格低廉，无还原剂消耗的特点，解决了现有催化氮氧化合物直接分解的K₂NiF₄型金属氧化物催化剂反应活性低的问题，简化了负载型催化剂的制备过程。

技术领域

本发明属于废气处理技术领域，更加具体地说，涉及一种催化氮氧化物(NO_x)直接分解为氮气和氧气的复合氧化物催化剂的制备及应用，可用于治理电厂和汽车废气中氮氧化合物的消除减排。

背景技术

氮氧化物(NO_x)主要是指NO和NO₂，其成分95％以上为NO，主要来源是火电厂、锅炉和汽车尾气。氮氧化物(NO_x)严重危害人类健康，是酸雨形成的重要因子，是形成臭氧和光化学污染的重要前体物之一，也是形成超细颗粒(PM2.5)形成的主要原因。氮氧化物排放量随着我国能源消费和机动车保有量的快速增长而迅速上升，特别是2012年以后，全国范围内频繁爆发大面积雾霾污染，使氮氧化物污染问题越来越得到重视。近年来研究最为广泛的NO_x净化技术主要包括：NO直接分解技术、NO_x储存还原技术(NSR)、NO_x吸附技术、以氨为还原剂的选择性催化还原技术(NH₃-SCR)等。NO直接分解过程无需额外添加还原剂，且产物是对大气无污染性的氮气(N₂)和氧气(O₂)，所以该技术被认为是最理想的NO脱除技术。NO直接分解为N₂和O₂在热力学范围内是完全可行的，但是反应活化能高达364kJ/mol，因此研究NO的分解实质是探讨其动力学的问题，即找到一种合适的催化剂来降低反应的活化能是NO直接分解技术的关键。

目前，NO直接分解所用的催化剂体系主要有：贵金属、分子筛、氧化物等。贵金属催化剂是最早被研究的，主要包括A1₂O₃、ZrO₂等负载的Pt和Pd。贵金属催化剂价格昂贵、低温活性差、氧阻抑现象严重、催化剂容易硫中毒等使其难以应用。Cu-ZSM-5型分子筛催化剂催化NO直接分解，研究广泛，反应温度低，在500℃有60％左右的转化率，作为NO低温分解催化剂具有很高的研究价值，但在实际应用中也存在很多缺点，空速对催化活性影响大，存在氧阻抑现象，对水蒸气和SO₂非常敏感，也不适合工业应用。金属氧化物对NO的分解也有一定促进作用，特别是过渡金属氧化物，促进作用更加显著，其反应机理与贵金属催化剂一致，O₂在活性中心的脱附能力也是决定金属氧化物活性高低的关键因素。其中钙钛矿以及类钙钛矿类金属氧化物是一种如今被广泛研究的解决NO污染的催化剂，在400-850℃温区，表现出较高的NO催化活性，较好的热稳定性以及选择性。文献Zhu J,Zhao Z,Xiao D,etal.Application of cyclic voltammetry in heterogeneous catalysis:NOdecomposition and reduction[J].Electrochemistry Communications,2005,7(1):58-61中，朱君江等人研究了K₂NiF₄型的LaSrCoO₄催化剂粉体的直接催化分解NO反应活性，在850℃时，NO转化率仅为20％。因此，LaSrCoO₄催化剂直接催化NO分解的效果并不理想。另外，经过高温焙烧的LaSrCoO₄粉体的比表面积仅为2.3m²/g，极大限制了催化剂对气体的吸附。