CN101829579B - 负载氧化铜的铈锆复合氧化物催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂的制备方法及其应用。其制备步骤包括:将Cu盐、Ce盐和Zr盐溶解于去离子水中,然后缓慢将其滴加到稀氨水中,后经微波加热,沉淀过滤和洗涤,微波烘干和高温焙烧,即制得本发明的催化剂。该催化剂的制备方法与现有催化剂的制备方法比较,其制备过程简单、工时短,活性组分CuO高度分散在载体表面。本发明制备方法所得的催化剂具有很高的抗烧结能力和热稳定性,并对CO催化氧化反应具有较高的活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
CeO2是工业催化中具有重要意义的稀土氧化物,其最重要作用是在富燃/贫燃不断变换的震荡气氛中起着氧的缓冲作用,通过氧化态CeO2和还原态Ce2O3之间的变换,加强了材料的氧储存与释放能力。它可以用于汽车尾气净化处理、醇类水蒸汽重整制氢、水煤气转化反应、CO中毒防护、烟草降害以及密闭***中CO的脱除等反应。
但在高温下纯的CeO2容易发生烧结、颗粒长大。研究发现,Zr的添加能有效地阻止CeO2的烧结,特别是生成的铈锆固溶体具有更高的储氧能力和热稳定性。以铈锆固溶体为载体,负载Au、Pt、Pd等贵金属所制备成的催化剂具有优异的催化CO低温氧化活性,但由于其价格昂贵、自然资源稀缺和容易发生硫中毒等原因,限制了其在工业上的广泛应用。因而促使人们转向对非贵金属催化剂的研究,尤其是以CexZr1-xO2为载体负载非贵金属CuO的催化剂的研究已成为人们研究的热点。
CuO/CexZr1-xO2催化剂的反应性能不仅与其组成有关,而且还与其制备方法密切相关。目前,制备CuO/CexZr1-xO2催化剂的方法可分为两种:一步法和两步法(浸渍法)。一步法是将铜、铈、锆的盐类混合溶液采用沉淀法,经沉淀、过滤、干燥得到含铜、铈、锆的沉淀物前驱体;或将三者的混合溶液采用燃烧法或溶胶-凝胶法得到含三者的盐类前驱体。将上述所得前驱体在空气气氛下高温焙烧一定时间就可制备铜铈锆复合氧化物催化剂。该种催化剂的活性组分CuO除负载在铈锆固溶体表面之外,相当一部分已***到二氧化铈晶格中,不能与被氧化气体很好接触,因此降低了其催化活性。专利公开号CN101069843A(2007)就是采用一步法来制备CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化剂,在制备过程中加入了阳离子表面活性剂及沉淀剂NaOH,因此,在催化剂的后序处理环节需大量去离子水来洗涤,致使催化剂的制备工时长,能耗大。
两步法亦即浸渍法,首先通过沉淀法、溶胶-凝胶法等制备出CexZr1-xO2载体,然后将活性组分铜浸渍在载体表面,通过加热浓缩溶剂、烘干、焙烧即得催化剂样品。该法的不足之处是载体和催化剂的制备要经过两次干燥和焙烧,制备过程繁琐,工时较长。论文Applied Catalysis A:General 242(2003)151-159采用两步法制备CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化剂,先用溶胶-凝胶法制备Ce0.8Zr0.2O2载体,然后将载体浸渍到Cu(NO3)2·3H2O溶液中,经120℃干燥650℃焙烧4h所制得CuO(10%)/Ce0.8Zr0.2O2催化剂的TPR谱图出现三个还原峰,说明活性组分CuO在载体表面分散不太均匀,有大颗粒CuO存在。论文Journal of molecular CatalysisA:Chemical 255(2006)254-259亦是先采用均匀沉淀法制备Ce0.5Zr0.5O2载体,然后将载体加入到硝酸铜溶液中加热浓缩溶剂,经100℃干燥500℃焙烧制得CuO/Ce0.5Zr0.5O2催化剂,该催化剂的TPR图谱也出现三个还原峰,说明也存在大颗粒的CuO,而大颗粒的CuO对CO低温氧化活性有抑制作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术制备CuO/CexZr1-xO2催化剂过程繁琐、消耗时间长,或用于CO低温氧化活性不高等缺点。提供了一种一步法制备负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂的方法。
本发明的技术方案
一种负载氧化铜的铈锆复合氧化物催化剂的制备方法,包括下列步骤:
(1)、将Ce盐、Zr盐和Cu盐溶解于去离子水中,在600~900r/min搅拌下,以0.8~1.2mL/min的滴加速度滴加到氨水溶液中,滴加结束后,再继续搅拌1h,得反应悬浊液;
上述的Ce盐、Zr盐和Cu盐是它们的硝酸盐或碳酸盐;Ce盐和Zr盐的物质的量(即摩尔数)之比为0.5~0.9∶0.1~0.5,其中铜盐的加
入量占Ce盐和Zr盐总物质的量之和的2.04%~100%;
Ce盐、Zr盐和Cu盐在去离子水中的总金属离子浓度为0.1~0.2mol/L。
氨水溶液的质量分数为5~8%,其中氨的物质的量是Ce盐、Zr盐和Cu盐的总金属离子物质的量之和的12~18倍;
(2)、将步骤(1)所得的反应悬浊液放入微波炉中,以700~900r/min的搅拌速度,进行微波加热回流至反应液pH=6~7时,停止加热回流;
(3)、将步骤(2)经微波加热回流的反应液冷至80~90℃时过滤,并用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼2~3次;
(4)、把步骤(3)所得到的滤饼放入微波炉中控制温度不大于120℃,加热烘干后,再在马弗炉中以500~800℃焙烧2h,即得一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂。
上述制备方法所得的一种负载氧化铜的铈锆复合氧化物催化剂,由两部分组成:
一部分为铈锆复合氧化物载体,另一部分CuO为活性组分;
铈锆复合氧化物载体,其分子式为:CexZr1-xO2,其中x=0.5~0.9,1-x=0.5~0.1,即铈、锆原子数之比为0.5~0.9∶0.1~0.5;
CuO活性组分负载在铈锆复合氧化物载体上,CuO活性组分占催化剂中总物质的量百分含量(即摩尔百分含量)的2%~50%。
本发明的制备方法所得的一种负载氧化铜的铈锆复合氧化物催化剂,适用于CO催化氧化反应。
本发明的有益效果
本发明通过共沉淀法得到铈、锆氢氧化物沉淀悬浊液,在快速搅拌下,微波加热回流,[Cu(NH3)4](OH)2分解,生成的氧化铜或氢氧化铜负载在铈、锆氢氧化物悬浊液颗粒表面上,经过滤、烘干、焙烧制得本发明的催化剂,其制备过程简单、工时短,活性组分CuO高度分散在载体表面。所得的催化剂具有很高的抗烧结能力和热稳定性,并对CO催化氧化反应具有较高的活性。
下面结合实施例对本发明进一步进行阐述,但并不限制本发明。
实施例1
将5.211g Ce(NO3)3·6H2O、5.1506g Zr(NO3)4·5H2O和0.1183g Cu(NO3)2·3H2O溶解于200mL去离子水中,在600~900r/min的搅拌下以0.8~1.2mL/min的滴加速度将其滴加到100mL质量分数为5%~8%的氨水溶液中。滴加结束,再继续搅拌1h。以700~900r/min的搅拌速度进行微波加热回流,直至pH=6~7时停止加热。混合液冷至80~90℃时过滤,用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼2次。把滤饼放入微波炉中加热烘干后,并在马弗炉中600℃焙烧2h,制得催化剂A,该催化剂中CuO的物质的量百分含量为2%。
实施例2
将3.9083g Ce(NO3)3·6H2O、2.5753g Zr(NO3)4·5H2O和0.4027g Cu(NO3)2·3H2O溶解于150mL去离子水中,在600~900r/min的搅拌下以0.8~1.2mL/min的滴加速度将其滴加到70mL质量分数为5%~8%的氨水溶液中。滴加结束,再继续搅拌1h。以700-900r/min的搅拌速度进行微波加热回流,直至pH=6~7时停止加热。混合液冷至80~90℃时过滤,用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼2次。把滤饼放入微波炉中加热烘干后,并在马弗炉中600℃焙烧2h,制得催化剂B,该催化剂中CuO的物质的量百分含量为10%。
实施例3
将3.9083g Ce(NO3)3·6H2O、2.5753g Zr(NO3)4·5H2O和0.906g Cu(NO3)2·3H2O溶解于160mL去离子水中,在600~900r/min的搅拌下以0.8~1.2mL/min的滴加速度将其滴加到100mL质量分数为5%~8%的氨水溶液中。滴加结束,再继续搅拌1h。以700~900r/min的搅拌速度进行微波加热回流,直至pH=6~7时停止加热。混合液冷至80~90℃时过滤,用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼2次。把滤饼放入微波炉中加热烘干后,并在马弗炉中600℃焙烧2h,制得催化剂C,该催化剂中CuO的物质的量百分含量为20%。
实施例4
将4.3425g Ce(NO3)3·6H2O、1.8395g Zr(NO3)4·5H2O和1.841g Cu(NO3)2·3H2O溶解于170mL去离子水中,在600~900r/min的搅拌下以0.8~1.2mL/min的滴加速度将其滴加到100mL质量分数为5%~8%的氨水溶液中。滴加结束,再继续搅拌1h。以700~900r/min的搅拌速度进行微波加热回流,直至pH=6~7时停止加热。混合液冷至80~90℃时过滤,用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼2次。把滤饼放入微波炉中加热烘干后,并在马弗炉中600℃焙烧2h,制得催化剂D,该催化剂中CuO的物质的量百分含量为30%。
实施例5
将5.211g Ce(NO3)3·6H2O、1.2877g Zr(NO3)4·5H2O和2.4514g Cu(NO3)2·3H2O溶解于200mL去离子水中,在600~900r/min的搅拌下以0.8~1.2mL/min的滴加速度将其滴加到100mL质量分数为5%~8%的氨水溶液中。滴加结束,再继续搅拌1h。以700~900r/min的搅拌速度进行微波加热回流,直至pH=6~7时停止加热。混合液冷至80~90℃时过滤,用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼3次。把滤饼放入微波炉中加热烘干后,并在马弗炉中600℃焙烧2h,制得催化剂E,该催化剂中CuO的物质的量百分含量为40%。
实施例6
将6.948g Ce(NO3)3·6H2O、0.7632g Zr(NO3)4·5H2O和4.2952g Cu(NO3)2·3H2O溶解于150mL去离子水中,在600~900r/min的搅拌下以0.8~1.2mL/min的滴加速度将其滴加到100mL质量分数为5%~8%的氨水溶液中。滴加结束,再继续搅拌1h。以700~900r/min的搅拌速度进行微波加热回流,直至pH=6~7时停止加热。混合液冷至80~90℃时过滤,用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼3次。把滤饼放入微波炉中加热烘干后,并在马弗炉中600℃焙烧2h,制得催化剂F,该催化剂中CuO的物质的量百分含量为50%。
实施例7
制备步骤同实施例3,在马弗炉中500℃焙烧2h,制得的催化剂标记为G。
实施例8
制备步骤同实施例3,在马弗炉中700℃焙烧2h,制得的催化剂标记为H。
实施例9
制备步骤同实施例3,在马弗炉中800℃焙烧2h,制得的催化剂标记为I。
应用实施例1
将实施例1~9中所制备的催化剂应用于CO低温氧化反应。将一定量的催化剂颗粒(40-60目)与三倍量粒度大小相当的石英砂混合后被装填在内径为6mm,长度为300mm的不锈钢反应管中。反应管底部充填一定量的惰性材料作为支撑物。采用电加热,温度自动控制。原料气自上而下通过催化剂层,其中的一氧化碳被氧化成二氧化碳。原料气组成(体积分数)为1%CO、10%O2,其余为N2,流速为40~60mL·min-1。反应前后的气体组成用浙江温岭福立公司生产的GC9790A型气相色谱仪进行分析,氢气为载气,热导池检测器,碳分子筛色谱柱。结果见表1和表2,从表1可以看出,反应温度为85℃时,CuO负载量为20%至50%的催化剂催化氧化CO的转化率较高,尤其是负载量为40%的已完全转化,另一方面也与铈锆复合氧化物中铈的含量有关,随着铈含量的增加催化氧化CO的转化率也在增加。从表2可以看出,CuO负载量为20%的催化剂当焙烧温度为600℃时,催化氧化CO的转化率最高。焙烧温度为800℃时,该种催化剂仍有很高的催化活性;反应温度为85℃时,CO的转化率为76.89%,说明本发明的催化剂具有很高的抗烧结能力和热稳定性。
表1不同CuO负载量催化剂的CO氧化活性
注:T60,T85分别是CO转化率为60%和85%对应的反应温度。
表2不同焙烧温度所制备催化剂的CO氧化活性
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明,而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换,均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂的制备方法,其特征在于:
包括如下步骤:
(1)、将Ce盐、Zr盐和Cu盐溶解于去离子水中,在600~900r/min搅拌下,以0.8~1.2mL/min的滴加速度滴加到氨水溶液中,滴加结束后,再继续搅拌1h,得反应悬浊液;
上述的Ce盐、Zr盐和Cu盐是它们的硝酸盐;Ce盐和Zr盐的物质的量之比为0.5~0.9∶0.1~0.5,其中铜盐的加入量占Ce盐和Zr盐总物质的量之和的2.04%~100%;
Ce盐、Zr盐和Cu盐在去离子水中的总金属离子浓度为0.1~0.2mol/L;
氨水溶液的质量分数为5~8%,其中氨的物质的量是Ce盐、Zr盐和Cu盐的总金属离子物质的量之和的12~18倍;
(2)、将步骤(1)所得的反应悬浊液放入微波炉中,以700~900r/min的搅拌速度,进行微波加热并回流至反应液pH=6~7时,停止加热回流;
(3)、将步骤(2)经微波加热回流的反应液冷至80~90℃时过滤,并用滤饼质量2~3倍的无水乙醇洗涤滤饼2~3次;
(4)、把步骤(3)所得到的滤饼放入微波炉中控制温度不大于120℃,加热烘干后,再在马弗炉中以500~800℃焙烧2h,即得一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂。
2.如权利要求1所述的一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂的制备方法,其特征在于步骤(4)所得的催化剂由两部分组成:
一部分为铈锆复合氧化物载体,另一部分CuO为活性组分;
铈锆复合氧化物载体,其分子式为:CexZr1-xO2,其中x=0.5~0.9,1-x=0.5~0.1,即铈、锆原子数之比为0.5~0.9∶0.1~0.5;
CuO活性组分负载在铈锆复合氧化物载体上,CuO活性组分占催化剂中总物质的量百分含量的2%~50%。
3.如权利要求1所述的一种负载氧化铜的高活性铈锆复合氧化物催化剂的制备 方法,其特征在于步骤(4)所得的催化剂应用于CO催化氧化反应。
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