[发明专利]一种铂族金属催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种高分散铂族贵金属基催化剂及其应用。具体地说是铂族贵金属中的一种或两种和特定棒状形貌四氧化三钴(Co₃O₄)组成的负载型双组分催化剂及应用。贵金属组分含量为催化剂总质量的1.0～1.5％，以粒径范围为0.5～0.95nm、平均粒径为0.7～0.85nm的亚纳米团簇形式高度分散于直径为300～500nm、长度为1～30m的棒状四氧化三钴载体上。催化剂用于甲烷催化燃烧反应，在350℃附近即可实现甲烷的完全转化。本发明催化剂制备条件温和、可控性强，适用于低浓度甲烷的催化燃烧反应，兼具低温高活性和使用稳定性，具有良好的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米催化材料制备技术领域，具体涉及一种特定形貌的多孔棒状四氧化三钴负载的高分散铂族贵金属催化剂，及其在低浓度甲烷催化燃烧中的应用。本发明提供了一种通过载体形貌调控铂族金属催化剂分散度和催化反应性能的思路和方法。

背景技术

近年来，随着煤、石油等传统化石能源的日益消耗，天然气作为探明储量最大的替代能源，其在供热、产电和交通运输等领域的应用不断拓展。甲烷作为天然气的主要成分，其燃烧过程的研究和优化具有重要意义。相比传统热燃烧(温度高达1500℃以上)，甲烷催化燃烧可以大幅降低其燃烧温度，从而有效减少燃烧过程中NO_x等污染物的排放。此外，甲烷作为主要的温室气体之一，温室气体效应约为CO₂的20倍，对臭氧层的破坏能力是CO₂的7倍(https://www.eia.gov/energyexplained/natural-gas/)。天然气车辆尾气、工厂废气和煤田气中低浓度甲烷是大气甲烷的主要来源。随着天然气应用领域的拓展，其大气排放已经成为日趋严重的环境问题。低温高效的甲烷催化燃烧催化剂的设计开发具有重要的意义。

铂族金属(Pd，Pt，Rh等)催化剂在能源转化和环境保护的诸多关键领域具有十分重要的应用，也是甲烷催化燃烧反应研究最为广泛、低温活性最好的催化剂体系。但是现有催化体系仍存在CH₄全转化温度高、低温催化活性不足、稳定性差、贵金属用量高等实际问题。

本发明采用简单、温和、可控的方法制备了特定棒状形貌四氧化三钴负载的亚纳米铂族金属催化剂，在甲烷催化燃烧反应中表现出良好的低温反应活性和稳定性，具有实际应用前景。

发明内容

本发明目的是提供一种亚纳米分散的铂族贵金属催化剂，载体为特定形貌的棒状四氧化三钴。催化剂应用于甲烷催化燃烧反应，可以在较低温度下实现甲烷的完全转化，并具有良好的稳定性。

本发明所述载体采用水热反应法制备，将一定比例的尿素水溶液，在搅拌条件下逐滴加入到钴前驱体盐溶液中。然后将混合液转移到水热反应釜中，在一定温度下水热反应。所得产物洗涤、干燥、焙烧，得特定形貌的棒状四氧化三钴。

所述尿素溶液浓度优选为4～6mol/L；所述钴前驱体盐溶液优选为0.1～0.4mol/L的氯化钴溶液；水热反应温度优选为120～160℃，水热反应时间为12h；干燥条件优选为70～80℃烘箱中干燥10～12h；焙烧条件优选为300～350℃马弗炉中焙烧3～4h。

所述催化剂采用沉积沉淀法制备，取铂族金属前躯体溶液，加入100mL去离子水搅拌稀释，并逐滴加入强烈搅拌下的载体悬浊液中，用NaOH溶液调节pH，搅拌反应，静置老化，过滤，洗涤，干燥，焙烧，得目标催化剂。

所述铂族金属前驱体溶液中金属质量浓度优选为1.0～1.5mg/mL，NaOH溶液浓度优选为0.2mol/L，搅拌反应和静置老化条件优选为80℃，3h和1h；干燥条件优选为70～80℃烘箱中干燥10～12h；焙烧条件优选为300～350℃马弗炉中焙烧3～4h。

所述催化剂可用于低浓度甲烷催化燃烧反应，可以在较低温度下实现甲烷的完全转化，并具有良好的稳定性。

对本发明催化剂的甲烷催化燃烧活性测试方法如下：