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北京品源专利代理有限公司 (CN)
权 利 要 求 书 1、 一种用于催化净化氮氧化物的铈基复合氧化物催化剂, 其特征在于, 所 述催化剂包括铈氧化物和至少一种选自过渡金属的金属氧化物。 2、如权利要求 1所述的催化剂,其特征在于,所述过渡金属包括:钪(Sc)、 钛(Ti)、 钒( V)、 铬(Cr)、 锰(Mn)、 铁(Fe)、 钴 (Co), 镍(Ni)、 铜(Cu)、 辞(Zn)、 钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、 钼(Mo)、锝(Tc)、 钌(Ru)、铑(Rh)、 钯( Pd )、银 ( Ag )、镉( Cd )、 铪( Hf )、 钽( Ta )、钨( W )、铼 ( Re ),锇 ( Os )、 铱(Ir)、 铂 (Pt)、 金(Au)或其 2者或 2者以上的混合物; 优选地, 所述过渡金属选自钨(W)、 钼 (Mo)、 铁(Fe) 中的任意一种或 其 2者或以上的混合; 所述混合例如 W/Mo、 W/Fe、 Mo/Fe或 W/Mo/Fe; 优选地, 所述铈基复合氧化物催化剂, 优选为 CeOx-WOx、 CeOx-MoOx、 CeOx-FeOx双金属复合氧化物催化剂, 或 CeOx-WOx-MoOx、 CeOx-WOx-FeOx、 CeOx-MoOx-FeOx复合氧化物催化剂, 或 CeOx-WOx-MoOx-FeOx复合氧化物催化 剂; 优选地, 所述铈(Ce)元素和过渡金属元素的氧化物在复合氧化物催化剂 中形成固溶体。 3、 如权利要求 1或 2所述的催化剂, 其特征在于, 所述铈 ( Ce )元素和过 渡金属元素的摩尔比为 0.2-5.0,优选 0.5~4.5, 例如 1.0~4.0、 1.5-3.5, 2.0~3.0。 4、 一种如权利要求 1-3之一所述的铈基复合氧化物催化剂的制备方法, 所 述制备方法为均匀沉淀法、 溶胶-凝胶法、 柠檬酸络合法或水热合成法。 5、 如权利要求 4所述的制备方法, 其特征在于, 所述均匀沉淀法包括如下 步骤: (1 ) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0; (2) 以过量尿素作为沉淀剂, 在 80 ~ 95 °C温度条件下搅拌 0.5~48h; (3) 进行抽滤和洗涤, 得到滤饼; (4) 将滤饼烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧, 得到所述铈基复合氧化 物催化剂; 优选地, 所述步骤(1 ) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 硫酸铈中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 优选地, 所述步骤(1 ) 中, 所述过渡金属的盐包括鵠盐或钨酸盐、 钼盐或 钼酸盐、铁盐或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 硫酸鵠中的至少一种, 包括其二者或二者以上的 混合物; 钼盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 硫酸钼中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混 合物; 优选地, 所述步骤( 2 )中, 所述搅拌时间优选 l~24h, 进一步优选 4 ~ 15h, 例如 5h、 6h、 8h或 12h; 优选地, 所述步骤(2) 中, 所述温度优选为 60~100°C, 更优选 70~98 °C, 进一步优选 80 ~ 95 °C; 优选地, 所述步骤(3) 中, 所述洗涤优选釆用去离子水洗涤, 洗涤次数优 选 1-5次, 例如 2~4次, 包括 3次; 优选地, 所述步骤(4) 中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优 选放入烘箱中于 80〜: 120 °C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进 一步优选 4~12h; 2 优选地, 所述步骤(4) 中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~800°C空气中 焙烧; 所述焙烧时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。 6、 如权利要求 4所述的制备方法, 其特征在于, 所述溶胶-凝胶法包括如 下步骤: (1) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0; (2) 在室温条件下搅拌 0.5~72h, 得到溶胶; (3) 将所得溶胶在常温常压下静置 0.5 ~12d, 得到凝胶; (4) 将凝胶烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧, 得到所述铈基复合氧化 物催化剂; 优选地, 所述步骤(1) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 硫酸铈中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 优选地, 所述步骤(1) 中, 所述过渡金属的盐包括鵠盐或钨酸盐、 钼盐或 钼酸盐、铁盐或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 硫酸鵠中的至少一种, 包括其二者或二者以上的 混合物; 钼盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 硫酸钼中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混 合物; 优选地, 所述步骤( 2 )中, 所述搅拌时间优选 l~60h, 进一步优选 4 ~ 48h, 例如 6h、 10h、 12h或 24h; 优选地, 所述步骤(3)中, 所述静置时间优选 l~10d, 进一步优选 2~7d, 例如 3d、 4d、 5d或 6d; 3 优选地, 所述步骤(4) 中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优 选放入烘箱中于 80〜: 120 °C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进 一步优选 4~12h; 优选地, 所述步骤(4) 中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~800°C空气中 焙烧; 所述焙烧时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。 7、 如权利要求 4所述的制备方法, 其特征在于, 所述柠檬酸络合法包括如 下步骤: (1 ) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0; (2) 向混合溶液中加入一定量柠檬酸, 金属离子总量与柠檬酸的摩尔比 为 0.5-5.0; (3) 在 20 ~ 95°C温度条件下搅拌 0.5 ~ 48h; (4) 在常温常压下静置 0.5 ~5d; (5) 将所得产物烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧, 得到所述铈基复合 氧化物催化剂; 优选地, 所述步骤(1 ) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 硫酸铈中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 优选地, 所述步骤(1 ) 中, 所述过渡金属的盐包括鵠盐或钨酸盐、 钼盐或 钼酸盐、铁盐或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 硫酸鵠中的至少一种, 包括其二者或二者以上的 混合物; 钼盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 硫酸钼中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混 4 合物; 优选地, 所述步骤( 3 )中, 所述搅拌时间优选 l~40h, 进一步优选 2 ~ 24h, 例如 3h、 5h、 10h或 20h; 优选地, 所述步骤(4 ) 中, 所述静置时间优选 l~4d, 例如 2d或 3d; 优选地, 所述步骤(5 ) 中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优 选放入烘箱中于 80〜: 120 °C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进 一步优选 4~12h; 优选地, 所述步骤(5 ) 中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~ 800°C空气中 焙烧; 所述焙烧时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。 8、 如权利要求 4所述的制备方法, 其特征在于, 所述水热合成法, 包括如 下步骤: ( 1 ) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0; ( 2 ) 在室温条件下搅拌 0.5~2h后, 将溶液移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢 反应蒼内; ( 3 ) 将反应釜在 80 200 °C条件下放置 1 ~ 12d; ( 4 ) 将所得产物离心洗涤、 烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧, 得到所 述铈基复合氧化物催化剂; 优选地, 所述步骤(1 ) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 硫酸铈中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 优选地, 所述步骤(1 ) 中, 所述过渡金属的盐包括鵠盐或钨酸盐、 钼盐或 钼酸盐、铁盐或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 硫酸鵠中的至少一种, 包括其二者或二者以上的 混合物; 钼盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 硫酸钼中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混 合物; 优选地, 所述步骤(3 )中, 所述放置时间优选 l~12d, 进一步优选 2 ~ 8d, 例如 3d、 4d、 5d或 6d; 优选地, 所述步骤(4 ) 中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优 选放入烘箱中于 80〜: 120 °C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进 一步优选 4~12h; 优选地, 所述步骤(4 ) 中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~ 800°C空气中 焙烧; 所述焙烧时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。 9、 一种催化净化气体中氮氧化物的方法, 所述方法使用如权利要求 1所述 的铈基复合氧化物催化剂。 10、 如权利要求 9所述的方法, 其特征在于, 所述催化剂制浆后负载到各 种蜂窝陶瓷载体上, 制备成成型的催化剂进行使用, 或通过挤压成型后进行使 用; 优选地, 将催化剂置于尾气管道途中, 在催化剂的上游喷入还原剂和尾气 混合, 还原剂釆用氨气或尿素, 还原剂用量为尾气中氮氧化物的 0.8 1.2倍; 优选地, 所述气体为移动源含氮氧化物气体, 例如柴油车尾气, 或固定源 含氮氧化物气体, 例如燃煤电厂烟气; 所述气体优选为柴油车尾气。 6 |
技术领域
本发明涉及一种催化剂,具体涉及一种用于催 化净化氮氧化物的铈基复合氧 化物催化剂, 特别涉及一种用于以柴油车尾气为代表的移动 源和以燃煤电厂烟 气为代表的固定源氮氧化物催化净化的铈基复 合氧化物催化剂。
背景技术
目前世界上使用的主要能源, 多是化石燃料, 比如煤和石油燃料。 煤在燃 烧后产生的烟气中, 除含有硫氧化物 (SO x ) 夕卜, 还含有氮氧化物(NO x , 主要 指 NO和 N0 2 )。石油燃料, 比如车用汽油和车用柴油,在燃烧后排放的尾 气中, NO x 也占了很大比重。
NO x 的存在会引起光化学烟雾、 酸雨、 温室效应和臭氧层破坏等重大环境 问题, 同时具有生物呼吸毒性, 对生态环境和人类健康造成巨大的危害。 因此, 如何有效去除 NO x 成为当今环境保护领域的热点问题。
随着石油资源日趋短缺, C0 2 减排压力增大, 燃油经济性好和动力性强的 柴油车越来越受到重视。 与装有三效催化剂的汽油车相比, 以 NO;^o PM为特 征的尾气污染成为制约柴油车推广应用的瓶颈 。 柴油车已成为我国机动车 NO x 和 PM排放的主要分担者, 成为机动车尾气治理中的重点和难点。 柴油车尾气 排放具有温度低、 氧含量高、 含有大量颗粒物和少量硫等特点, 因此其 NO 々 净化消除难度较大。
目前,针对柴油机尾气 NO x 净化的技术方案主要有 NO直接催化分解技术,
NOJ 存-还原技术 (NSR), 碳氢化合物选择性催化还原 NO x (HC-SCR)、 氨选择 性催化还原 NO x (N¾-SCR)。
NO直接催化分解技术始于上个世纪, 且一度被视为最理想的稀燃 NO x 净 化方法。 从理论上看, NO 具有热力学不稳定性, 但其分解反应的活化能高达 364kJ/mol。 为了促进该反应的进行, 必须选择合适的催化剂, 以降低反应活化 能垒。 已有的研究表明, 许多催化剂如贵金属、 金属氧化物、 沸石等均能促进 NO的分解,但氧的存在可以抑制 NO分解反应的进行,且氧的脱附为整个反应 的决速步骤。 因此, NO直接催化分解技术很难实际应用于柴油机等 燃尾气处 理。
NSR技术立足于三效催化剂优异的 HC和 NO x 同时去除能力, 配合以 NO x 吸附剂, 在发动机稀燃状态下将 NO x 吸附下来; 周期性调整发动机成为浓燃状 态, 利用尾气中的 HC还原 NO x , 达到同时去除的目的。 但是, 要使该技术付 诸实施, 必须精确控制发动机的工况, 周期性地营造稀燃、 浓燃的氛围以最大 限度地发挥该催化剂的 NO x 净化效率, 这样就增加了发动机控制的难度; 同时, 浓燃气氛的营造增大了燃油的消耗, 降低了柴油机的燃油经济性; 另外, NSR 催化剂对硫的敏感性也限制了其应用。
HC-SCR釆用碳氢化合物选择性催化还原 NO x , —般釆用烷烃和烯烃在催 化剂上高选择性地还原 NO x , 其所釆用的催化剂可以分为 3大类, ( 1 )金属离 子交换的分子筛催化剂, 包括 ZSM系列、 镁碱沸石、 丝光沸石、 磷酸硅铝沸石
( SAPO )、 Y型沸石和 L型沸石等;( 2 )非贵金属氧化物型催化剂,包括以 A1 2 0 3 、
Si0 2 、 Ti0 2 、 Zr0 2 等为载体的负载型金属氧化物,以及 A1 2 0 3 、 Si0 2 、 Ti0 2 、 Zr0 2 、
Cr 2 0 3 、 Fe 2 0 3 、 Co 3 0 4 、 CuO、 V 2 0 5 、 Bi 2 0 3 、 MgO等相互构成的双金属氧化物,
LaA10 3 等稀土钙钛矿型复合金属氧化物; (3 )贵金属催化剂, 如 Pt、 Pd、 Rh 和 Au等以原子状态形式, 或交换在沸石上, 或负载在 A1 2 0 3 、 Si0 2 、 Ti0 2 、 Zr0 2 上。 所述 HC-SCR法釆用的催化剂均需要借助载体来分散催 化活性组分, 并增 大其比表面积, 这就导致在活性组分相同的情况下, 借助载体的催化剂面积较 大, 因此所述方法在用于柴油车等使用条件受限的 场所时, 催化剂占用体积大。
NH 3 -SCR被认为是最有希望全面应用于柴油车 气净化的技术, 且该技术 目前已经进入了实用化阶段, 其是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术 。 工业化应用 的 N¾-SCR 催化剂通常是含有毒物质钒 ( V ) 的 V 2 0 5 -W0 3 (Mo0 3 )/Ti0 2 催化剂。 所述催化剂不仅使用载体, 而且其活性组分在 使用过程中, V会发生脱落进而进入到环境中。 由于 V 5+ 具有很大的生物毒性, 由此会污染环境, 进而危害人体健康, 因此其使用在欧美是受限的。 同时该催 化剂体系具有操作温度窗口较窄、 易催化烟气中的 S0 2 转化为 S0 3 等缺点。
因此,开发新型具有高 NH 3 -SCR活性、宽操作温度窗口、适应高空速 境、 无毒无害的非钒催化剂体系用于以柴油车尾气 为代表的移动源和以燃煤电厂烟 气为代表的固定源 NO x 的催化消除, 具有非常重要的环境意义。
发明内容
针对现有技术的不足, 为了解决现有金属氧化物催化剂体系操作温度 窗口 窄、 低温活性差、 N 2 选择性低、 对反应空速敏感等缺点, 本发明首次提供了一 种新型铈基复合氧化物催化剂及其制备方法, 可用作以柴油车尾气为代表的移 动源和以燃煤电厂烟气为代表的固定源 NO x 催化净化。 本发明优选用于柴油车 尾气的 NO x 催化净化。
因此, 本发明的目的之一在于提供一种用于催化净化 氮氧化物的铈基复合 氧化物催化剂。
所述催化剂为复合氧化物催化剂, 其不需要载体即可达到相应的分散和催 化效果。
所述复合氧化物催化剂包括铈(Ce )和至少一种选自过渡金属的金属, 所 述过渡金属包括: 钪(Sc )、 钛(Ti )、 钒(V )、 铬(Cr )、 锰(Mn )、 铁(Fe )、 钴(Co)、镍(Ni)、 铜(Cu)、辞(Zn)、 钇( Y)、锆(Zr)、 铌(Nb)、 钼(Mo)、 锝 ( Tc )、 钌 ( Ru )、 铑 ( Rh )、 钯 ( Pd )、 银 ( Ag )、 镉( Cd )、铪( Hf )、钽 ( Ta )、 钨(W)、 铼(Re)、 锇(Os)、 铱(Ir)、 铂(Pt)、 金(Au)。
作为优选, 所述过渡金属选自钨(W)、 钼 (Mo)、 铁(Fe) 中的任意一种 或其 2者或以上的混合。 所述混合例如 W/Mo、 W/Fe、 Mo/Fe或 W/Mo/Fe。
在所述铈 (Ce) 元素和过渡金属元素的摩尔比为可以为 0.2 ~ 5.0, 优选 0.5-4.5, 1.0-4.0, 1.5-3.5, 2.0~3.0等。
所述铈基复合氧化物催化剂中, 铈(Ce)元素和过渡金属元素在复合氧化 物催化剂中均以氧化物态存在。 本发明发现, 所述铈(Ce)元素和过渡金属元 素的氧化物在复合氧化物催化剂中形成固溶体 。
所述 Ce的氧化物为 CeO x , 其为不同价态 Ce的氧化物混合体, 比如 Ce 3+ 和 Ce 4+ 的混合物。
所述过渡金属的氧化物为不同价态的氧化物的 混合体。 所述过渡金属的氧 化物,例如 WO x ,其为不同价态 W的氧化物混合体, 比如 W 5+ 和 W 6+ 的混合物; MoO x , 其为不同价态 Mo的氧化物混合体 , 比如 Mo 5+ 和 Mo 6+ 的混合物; FeO x , 其为不同价态 Fe的氧化物混合体, 比如 Fe 2+ 和 Fe 3+ 的混合物。
所述铈基复合氧化物催化剂, 优选 CeO x -WO x 、 CeO x -MoO x 、 CeO x -FeO^ . 金属复合氧化物催化剂,或 CeO x -WO x -MoO x 、 CeO x -WO x -FeO x 、 CeO x -MoO x -FeO x 复合氧化物催化剂, 或 CeO x -WO x -MoO x -FeO x 复合氧化物催化剂。
本发明的目的之一还在于提供一种铈基复合氧 化物催化剂的制备方法。 本 发明所述铈基复合氧化物催化剂,其制备方法 可以为均匀沉淀法、溶胶-凝胶法、 柠檬酸络合法和水热合成法等。
I. 均匀沉淀法 所述沉淀法优选为均勾沉淀法, 其包括如下步骤:
(1 ) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0;
( 2 ) 以过量尿素作为沉淀剂, 在 60 ~ 100 °C温度条件下搅拌 0.5 ~ 48h;
(3) 进行抽滤和洗涤, 得到滤饼;
(4) 将滤饼烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧,得到所述铈基复合氧 物 催化剂。
步骤(1 ) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 石克酸铈中的至 少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤(1 ) 中, 所述过渡金属的盐包括钨盐或钨酸盐、 钼盐或钼酸盐、 铁盐 或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 酸钨中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 钼 盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 酸钼中 的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤( 2 )中, 所述搅拌时间优选 l~24h, 进一步优选 4 ~ 15h, 例如 5h、 6h、 8h或 12h等。
步骤(2) 中, 所述温度优选为 60 ~ 100 °C, 更优选 70~98°C, 进一步优选 80~95°C。
步骤(3) 中, 所述洗涤优选釆用去离子水洗涤, 洗涤次数优选 1~5次, 例 如 2~4次, 包括 3次。
步骤(4)中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优选放入烘箱中于 80~120°C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进一步优选 4~12h。 步骤(4)中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~800°C空气中焙烧; 所述焙烧 时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。
所述均勾沉淀法, 其反应压力没有特别限定, 但通常釆用常压反应。
II. 溶胶-凝胶法
所述溶胶-凝胶法, 包括如下步骤:
(1) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0;
(2) 在室温条件下搅拌 0.5~72h, 得到溶胶;
(3) 将所得溶胶在常温常压下静置 0.5 ~12d, 得到凝胶;
(4) 将凝胶烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧,得到所述铈基复合氧 物 催化剂。
步骤(1) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 石克酸铈中的至 少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤(1) 中, 所述过渡金属的盐包括钨盐或钨酸盐、 钼盐或钼酸盐、 铁盐 或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 酸钨中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 钼 盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 酸钼中 的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤( 2 )中,所述搅拌时间优选 l~60h,进一步优选 4 ~ 48h,例如 6h、 10h、 12h或 24h等。
步骤(3)中, 所述静置时间优选 l~10d, 进一步优选 2~7d, 例如 3d、 4d、 5d或 6d等。 步骤(4)中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优选放入烘箱中于 80~120°C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进一步优选 4~12h。
步骤(4)中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~800°C空气中焙烧; 所述焙烧 时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。
III. 柠檬酸络合法
所述柠檬酸络合法, 包括如下步骤:
( 1 ) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0;
(2) 向混合溶液中加入一定量柠檬酸, 金属离子总量与柠檬酸的摩尔比 为 0.5-5.0;
(3) 在 20 ~ 95°C温度条件下搅拌 0.5 ~ 48h;
(4) 在常温常压下静置 0.5 ~5d;
(5) 将所得产物烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧, 得到所述铈基复合氧 化物催化剂。
步骤(1 ) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 石克酸铈中的至 少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤(1 ) 中, 所述过渡金属的盐包括钨盐或钨酸盐、 钼盐或钼酸盐、 铁盐 或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 酸钨中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 钼 盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 酸钼中 的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤( 3 )中, 所述搅拌时间优选 l~40h, 进一步优选 2 ~ 24h, 例如 3h、 5h、 10h或 20h等。
步骤(4 ) 中, 所述静置时间优选 l~4d, 例如 2d或 3d等。
步骤(5 )中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优选放入烘箱中于 80~120°C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进一步优选 4~12h。
步骤(5 )中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~ 800°C空气中焙烧; 所述焙烧 时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。
IV. 水热合成法
所述水热合成法, 包括如下步骤:
( 1 ) 将 Ce和过渡金属的盐配成混合溶液, 所述混合溶液中, 以金属元素 的摩尔比计, 铈和过渡金属的比例为 0.2 ~ 5.0;
( 2 ) 在室温条件下搅拌 0.5~2h后, 将溶液移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢 反应蒼内;
( 3 ) 将反应釜在 80 200 °C条件下放置 1 ~ 12d;
( 4 ) 将所得产物离心洗涤、 烘干, 于 400~800°C在空气中焙烧, 得到所述 铈基复合氧化物催化剂。
步骤(1 ) 中, 所述铈盐优选氯化亚铈、 硝酸铈、 硝酸铈铵、 石克酸铈中的至 少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。
步骤(1 ) 中, 所述过渡金属的盐包括钨盐或钨酸盐、 钼盐或钼酸盐、 铁盐 或其二者或二者以上的混合物。 所述钨盐或钨酸盐优选为钨酸铵、 仲钨酸铵、 硝酸钨、 氯化钨、 酸钨中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 钼 盐或钼酸盐优选为钼酸铵、 二钼酸铵、 四钼酸铵、 硝酸钼、 氯化钼、 酸钼中 的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物; 铁盐优选为硝酸铁、 钨酸铁、 钼酸铁、 氯化铁、 硫酸铁中的至少一种, 包括其二者或二者以上的混合物。 步骤(3 )中, 所述放置时间优选 l~12d, 进一步优选 2 ~ 8d, 例如 3d、 4d、 5d或 6d等。 步骤(4 )中, 所述烘干优选于 80~120°C下烘干; 进一步优选放入烘箱中于 80~120°C烘干; 更烘干时间优选为 l~36h, 更优选 2~24h, 进一步优选 4~12h。 步骤(4 )中, 所述焙烧优选经马弗炉于 400 ~ 800°C空气中焙烧; 所述焙烧 时间优选 l~24h, 优选 2~12h, 进一步优选 4 ~ 6h。 本发明的目的之一还在于提供一种催化净化气 体中氮氧化物的方法, 所述 方法使用本发明所述的铈基复合氧化物催化剂 。 该催化剂可以根据实际需要进 行制浆, 然后负载到各种蜂窝陶瓷载体上, 制备成成型的催化剂进行使用, 也 可以通过挤压成型后进行使用。 使用时将催化剂置于尾气管道途中, 在催化剂 的上游喷入还原剂和尾气混合, 还原剂釆用氨气或尿素 (水解后可得到氨气), 还原剂用量为尾气中氮氧化物的 0.8~1.2倍,富氧条件下在 4艮宽的温度窗口内可 以将 NO x 还原为 N 2 和 ¾0, 同时具备很高的 N 2 选择性和抗硫抗水性能。 所述气体优选为移动源含氮氧化物气体, 例如柴油车尾气, 或固定源含氮 氧化物气体, 例如燃煤电厂烟气。 所述气体优选为柴油车尾气, 即本发明的所述催化净化气体中氮氧化物的 方法, 特别适用于柴油车尾气中氮氧化物的催化净化 。 本发明具有如下优点:
( 1 ) 所述铈基复合氧化物催化剂的操作温度窗口宽 (尤其在低温区的活性 好), 适用于机动车尾气温度变化幅度大的应用环境 ; 在固定源烟气脱硝方面, 有望作为低温型 SCR催化剂, 应用于烟气脱硫之后, 以提高 SCR催化剂的使 用寿命;
( 2 ) 对反应空速不敏感, 适用于机动车尾气净化高空速的特性, 将其应用 于固定源烟气脱硝时可以大幅度降低催化剂的 使用量, 降低成本、 节约空间;
( 3 ) 具有非常优异的 N 2 生成选择性;
( 4 ) 具有非常好的抗高温烧结能力和抗水抗硫性能 ;
( 5 )釆用无毒组分, 有效减少了对人体健康和生态环境的危害。
具体实施方式
为便于理解本发明, 本发明列举实施例如下。 本领域技术人员应该明了, 所述实施例仅仅用于帮助理解本发明, 不应视为对本发明的具体限制。
实施例 1
将钨酸铵溶于草酸溶液(钨酸铵与草酸的质量 比为 1 : 1 ), 并向该溶液中加 入硝酸铈溶液, 配制 Ce/W摩尔比为 0.5的溶液并混合均匀, 向该溶液中加入过 量尿素, 并在 90 °C温度条件下连续搅拌 12 h, 然后进行抽滤和洗涤, 将滤饼放 入烘箱中于 100°C烘干过夜,最后经马弗炉于 500 °C空气中焙烧 5h制得粉末状 催化剂。
将制得的催化剂压片、 研碎、 过筛, 取 40 ~ 60目备用, 称为催化剂 A。 实施例 2
其它条件如实施例 1不变, 改变 Ce/W摩尔比为 1.0, 制得催化剂 B。 实施例 3
其它条件如实施例 1不变, 改变 Ce/W摩尔比为 2.0, 制得催化剂 C。 实施例 4
将催化剂 B在 800 °C空气中焙烧 1 h制得催化剂 D。
实施例 5
其它条件如实施例 2不变, 改变钨酸铵为钼酸铵, 制得催化剂 E。
实施例 6 其它条件如实施例 2不变, 改变钨酸铵为硝酸铁, 改变草酸溶液为去离子 水, 制得催化剂 F。
实施例 7
用实施例 1-6制得的铈钨复合氧化物催化剂 A、 B、 C和 D, 以及铈钼复合 氧化物催化剂 E和铈铁复合氧化物催化剂 F在固定床反应器上进行 N¾选择性 催化还原 NO x 反应活性的考察。
催化剂的使用量为 0.12 ml,反应混合气的组成为: [NO] = [NH 3 ] = 500 ppm, [0 2 ] = 5%, N 2 作平衡气, 气体总流量为 500 ml/min, 空速为 250,000 h , 反应 温度 150 ~ 450 °C。 NO和 N¾及副产物 Ν 2 0 , N0 2 均利用红外气体池测定。 反 应结果如表 1所示。
表 1 不同 Ce/W摩尔比及经高温焙烧后的催化剂与 Ce-Mo和 Ce-Fe复合氧 化物催化剂的活性评价结果
由表 1可知, 催化剂 B的 NO x 转化率明显好于催化剂 E和 F。 催化剂 B在 250,000 h" 1 空速条件下, 200 ~ 450°C的温度范围内均可实现 80%以上的 NO x 转 化率, 且在 N 2 选择性均大于 97%。
经过 800 °C高温焙烧得到的催化剂 D仍可以在 250,000 h-1 空速条件下, 300 ~ 450°C的温度范围内实现 80%以上的 NO x 转化率,且 N 2 生成选择性均大于 98% , 说明该催化剂具有非常优异的抗高温烧结能力 。
实施例 8
使用催化剂 B, 在固定床反应器上考察反应空速对催化剂活性 的影响。 催化剂的使用量分别为 0.3 ml、 0.12 ml、 0.06 ml,反应混合气的组成为: [NO] = [NH 3 ] = 500 pm, [0 2 ] = 5%, N 2 作平衡气, 气体总流量为 500 ml/min, 相应 空速分别为 100,000 h 、 250,000 h 、 500,000 h" 1 , 反应温度 150 ~ 450°C。 NO 和 N¾及副产物 N 2 0, N0 2 均利用红外气体池测定。 反应结果如表 2所示。
表 2 反应空速对催化剂 B活性的影响
催化剂 B在空速为 100,000 h" 1 的条件下, 在 200 ~ 450 °C的温度范围内均可 实现 98%以上的 NO ^化率, 且 N 2 生成选择性均大于 98%, 表现出了非常宽 的操作温度窗口。
即使在 500,000 h" 1 的高空速条件下, 催化剂 B仍然可以在 250 ~ 450 °C的温 度范围内均可实现 90%以上的 NO 化率, 且 N 2 选择性均大于 98%, 说明该 催化剂具有非常优异的抗高空速反应性能。
实施例 9
使用催化剂 B, 在自制的微型固定床反应器上考察 S0 2 对催化剂活性的影 响。 催化剂的使用量为 0.12ml, 反应混合气的组成为: [NO]=[N¾]=500 ppm, [0 2 ]=5%, [SO 2 ]=100ppm, N 2 作平衡气, 空速为 250,00οί!— 1 , 反应温度为 250°C。 NO和 N¾及副产物 N 2 0, N0 2 均利用红外气体池测定。 活性测试结果表明, 该催化剂有很好的抗 S0 2 中毒能力,在考察的 24h内, NO x 转化率保持在 100%。 流程, 但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺 流程, 即不意味着本发明 必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实 施。 所属技术领域的技术人员应 该明了, 对本发明的任何改进, 对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的 添加、 具体方式的选择等, 均落在本发明的保护范围和公开范围之内。