[发明专利]一种硫酸根修饰的铱基甲烷燃烧催化剂及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种硫酸根修饰的铱基甲烷燃烧催化剂及其制备方法和应用，属于能源与环境催化领域。该催化剂包括活性组分与载体，所述活性组分主要为铱的氧化物，所述载体为硫酸根修饰的二氧化锆。通过水热法和热处理获得硫酸根修饰的二氧化锆为载体，采用浸渍法负载活性组分，通过干燥、高温活化处理，得到一种硫酸根修饰的铱基甲烷燃烧催化剂。该催化剂在低浓度甲烷（0.1‑2%）和常压低温（300‑400℃）条件下具有较高的甲烷燃烧活性，同时具有良好的耐水性能和优异的水热稳定性，可适用于煤层尾气或油田伴生尾气等含低浓度甲烷治理体系。

技术领域

本发明属于能源与环境催化领域，具体涉及一种硫酸根修饰的铱基甲烷燃烧催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

在煤矿和油田开采的过程中，会存在大量煤层气和油田伴生气，由于受到技术手段的制约，很大一部分含低浓度甲烷的油田伴生气（或煤层气）被排空。甲烷温室效应是二氧化碳的25倍，大量的煤层尾气和油田伴生尾气的直接排放不仅造成能源的浪费还对环境造成了负担。由于甲烷的浓度低，无法直接回收利用，而传统的甲烷燃烧温度通常在1400℃以上，使空气中的氮气在高温下参与反应生成有害污染物NO_X，低的燃烧效率还会产生未完全燃烧的CO和HC污染物。因此，为了实现在低温条件下低浓度甲烷的高效清洁燃烧，需要应用甲烷催化燃烧技术。

目前，钯基催化剂在甲烷低温催化燃烧领域受到广泛的关注。CN105457653B公开了以氧化铝为载体，通过加入镍、钴或锰金属促进钯基催化剂的活性。CN103203233A通过加入表面活性剂提高载体氧化铝的比表面积，从而提高钯基催化剂的活性。尽管钯基催化剂在甲烷催化燃烧领域受得到大量研究，但或存在贵金属担载量高、或存在催化剂的低温活性不足、或存在高空速活性低，或存在水热稳定性低，或存在耐水性能低。近年来由于钯价格攀升，具有催化甲烷燃烧潜力的铱基催化剂也逐渐被关注。胡盼静等（化学学报, 2011,69（81）: 2080-2084）制备了Ir的质量分数为5wt% 的Ir/ZrO₂甲烷燃烧催化剂，空速为6000mL∙h^-1∙g_cat ^-1 时，T₉₀约为400 ℃ ，Ir/ZrO₂催化剂存在贵金属Ir担载量较高，使用空速范围较低等不足。CN110075831A以二氧化钛为载体，等体积浸渍法负载Ir合成Ir/TiO₂催化剂，在较低的空速条件下（30000mL∙h^-1∙g_cat ^-1 ）具有较高的低温活性，但未考察催化剂的耐水性能。CN111686723A以含铱双金属为活性组分，二氧化钛或二氧化锆为载体，其中二氧化锆负载含铱双金属表现出较差的活性（Ir-Pt/ZrO₂的T₉₉为575 ℃），并且Ir-Pt/TiO₂的耐水性不足（加入10%水汽，催化活性降低了35%）。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硫酸根修饰的铱基甲烷燃烧催化剂，改善了氧化性能和活性组分与载体相互作用，使其具有高的低温催化甲烷燃烧活性、耐水性和水热稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硫酸根修饰的铱基甲烷燃烧催化剂，以Ir为活性组分，以硫酸根修饰的二氧化锆为载体，催化剂中Ir的质量分数为0.2-0.8%，硫酸根的质量分数为0.5-2%。

具体制备方法为：

S1、将一定量锆盐（氯氧化锆、硝酸氧锆、硝酸锆中的一种或几种）和可溶性硫酸盐溶解于去离子水中，搅拌20 min后，移入衬有聚四氟乙烯瓶的水热反应釜中，分段程序升温至100℃和200℃，反应10-24h，然后自然降温、洗涤、干燥、研细、经一定升温程序至800℃焙烧4h，自然降温获得硫酸根修饰的ZrO₂ 载体；

S2、前驱液的制备：将提供活性组分的六水合氯铱酸溶于去离子水中，稀释并配制Ir的质量浓度为20g/L的前驱液；