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新乡学院毕业论文
论文题目:
天然气催化燃烧催化剂的研究进展
学位申请人姓名
李义朋 化学与化工学院 化学（师范）2008级1班 郭俊胜 副教授
院(系)名称
专年业级
名班
称 级
指导教师姓名 指导教师职称
目录
内容摘要.......................................................................................................................1 关 键 词.......................................................................................................................1 Abstract..........................................................................................................................1 Key words......................................................................................................................1 前言...............................................................................................................................2 1.催化剂的基体...........................................................................................................2 1.1陶瓷基体............................................................................................................2 2.1 金属基体...........................................................................................................2 2.催化剂的载体...........................................................................................................2 2.1 氧化铝载体.......................................................................................................3 2.2 CeO2-ZrO2 固溶体载体....................................................................................3 2.3 新型Ce-Mg-O载体.........................................................................................3 2.4 铝酸盐载体.......................................................................................................3 3.催化剂的活性组分...................................................................................................4 3.1 贵金属...............................................................................................................4 3.2 非贵金属.........................................................................................................5 前景展望.......................................................................................................................9 参考文献.....................................................................................................................11 致谢.............................................................................................................................12
内容摘要：研究甲烷催化燃烧催化剂的研究现状，介绍近年来有关Pd，Pt，Rh，Au 等贵金属和非贵金属催化剂的催化性能方面的研究结果。主要从甲烷燃烧催化剂组成部分：活性组分、载体分别加以论述，分析各种载体的优缺点，讨论各种贵金属和非贵金属催化剂优劣性。从而找出评价甲烷燃烧催化剂性能的关键因素。
关 键 词：甲烷
催化剂
贵金属
非贵金属
载体
Abstract：The literature of methane catalytic combustion catalyst, introduces the recent research status on Pd, Pt, Rh, Au precious metals and non-noble metal catalysts such as catalytic performance results is studied.Mainly from methane combustion catalyst components: the active component, carrier are discued respectively, analyzes the advantages and disadvantages of various vector to discu all kinds of precious metals and non-noble metal catalyst inferiority.So as to find out the combustion catalyst performance evaluation methane key factors.Key words: Methane catalyst precious metals non-noble metal carrier
前言
天然气储量丰富、价格低廉、热效应高等优点，是目前最清洁的能源之一。[1]甲烷是天然气的主要成分，但甲烷是最稳定的烃类，通常很难活化或氧化，且甲烷催化燃烧工作温度较高，燃烧反应过程中会产生大量水蒸气，同时天然气中含少量硫。因此，甲烷催化燃烧催化剂必须具备较高的活性和较高的水热稳定性，以及一定的抗中毒能力。因此，研发具有低温高活性、高温热稳定性、抗机械和热冲击能力强、抗中毒能力和再生能力良好、整个生命周期符合节能绿色环保要求的廉价催化剂材料以提高燃烧效率就显得十分重要，也是今后研究的方向，以推动甲烷催化燃烧的工业化进程。催化燃烧具有高效、节能、环保等诸多优点，是一种环境友好的能源利用方式。[2]与普通燃烧方式相比，催化燃烧具有较高的燃烧效率与能量利用率。甲烷燃烧的催化剂体系一般由活性组分、载体和基体组成。
1.催化剂的基体
1.1 陶瓷基体
最常用的是堇青石(5SiO2·3Al2O3 ·2MgO)陶瓷材料，具有较好的热稳定性堇青石会变软并且硅会扩散到表面，使催化剂中毒失活。其它陶瓷材料有氧化铝(常用的高温陶瓷，强度高，耐热冲击，但1100℃左右会发生晶型转变，比表面下降)、氧化锆(使用温度可高2210℃，但难和催化剂粘结)、莫来石(3Al2O3 ·2SiO2 或2Al2O3 ·SiO2)、六铝酸盐等。这些材料的抗热冲击性能大多成问题，影响了它们的应用。
1.2 金属基体
金属基体一般由卷起的波浪形金属薄片构成，材质通常为铁铬铝合金(FeCrAlloy)或铝铬钴合金(Co2CrAlloy)等。与陶瓷基体相比，金属基体具有机械强度高、起燃较快、耐热冲击等优点，但热膨胀系数较大，难与载体或催化剂涂层匹配。
2.载体
大多数基体的比表面都非常小，不适合负载金属活性相，为了提高比表面，需要在基体壁上沉积一层高比表面载体涂层，该涂层的热膨胀系数应与基体相匹配。作为催化剂体系的主要组成部分，载体不仅作为活性金属的支撑体，而且对
活性金属的分散、分布及催化剂的活性、选择性和稳定性都有很大的影响。通过有目的地改变载体的组成可以修饰催化剂表面性质，使活性金属在载体上的几何和电子学性能发生改变，从而改善催化剂的性能。[3]
2.1氧化铝载体
氧化铝是最常用的高比表面载体。但氧化铝在高温环境下会转变成热力学上稳定的α相，若有水蒸气存在会加速相变过程，使比表面大量损失。研究表明在氧化铝中添加碱金属、碱土金属及稀土元素时，其中BaO、La2O3、SiO2、LiO和K2O均可增加氧化铝的热稳定性和比表面积。
2.2 CeO2 – ZrO2 固溶体载体
近年来CeO2 – ZrO2 固溶体储氧材料载体备受关注，CeO2 –ZrO2固溶体作为载体，不只分散活性组分，有较大的比表面积，还能增强催化剂的活性。研究表明，Pt/Ce0.67 Zr0.33O2的活性要比Pt/Al2O3 高许多。但CeO2 – ZrO2 固溶体的高温稳定性差，不能在1000℃以上使用。固溶体有着特殊的氧化、还原性质，被认为是烃类催化燃烧中的一种很有潜力的载体。[4]
2.3 新型Ce-Mg-O载体
在甲烷燃烧催化剂中，具有抗烧结性能、高稳定性的载体对催化剂具有显著作用，因此通过纳米水平的设计，提高这类材料的应用性能。Ce-Mg-O纳米微粒还具有独特的尺寸效应和较好的抗烧结能力，它的载体的催化活性与其组成关系很大，随Mg 含量的增加，Ce-Mg-O 载体上甲烷完全氧化活性逐渐增加。Ce-Mg-O 纳米微粒形成的高比表面和高表面能，也有大量的晶格氧空位和较高的O2-迁移能，使其表现出较好的氧性能。用于甲烷氧化的催化剂载体时显示了较高的催化活性。而且该新型载体明显提高了CeO2的还原性能及氧恢复性能，这些优点使该新型载体具有一定的应用价值。
2.4铝酸盐载体
铝酸盐载体在高温下具有较好的热稳定性和较大的比表面积，在高温催化反应中具有优良的抗烧结和抗热振荡能力，有利于维持材料的较高比表面积和高温稳定性，被认为是最具有前景的高温催化材料。
载体的作用是使催化剂拥有大的比表面积，并担载催化活性材料，因此要想得到好的催化效果，载体的选择和活性材料的担载方法也很重要。但是，往往载
体和催化活性材料之间会发生强相互作用，导致催化剂晶体结构的改变或晶相的转变，同时引起表面积的减小，导致催化活性降低甚至消失。因此，为了得到期望的高活性晶体结构、好的分散性、合适的比表面积和孔隙结构，通常会添加一些催化助剂如: La、Ce、Nd、Ba 等稀土元素或碱土金属元素。或直接采用其它的金属氧化物MOx(M = Ti，Mn，Co，Zr，Sn 等)以及它们的混合物作为载体。
3.活性组分
3.1 贵金属
贵金属催化剂是一种优良的燃烧催化剂，不仅具有高活性，而且有较强的抗硫中毒能力。另外，Pt和Pd还容易在许多载体上形成高分散。但是，在温度超过500℃时，Pt和Pd容易烧结或挥发导致催化剂失活，再加上昂贵的价格，使这类催化剂的应用受到一定限制，一般用在燃烧器中的低温起燃阶段。其中负载型Pd，Pt催化剂研究的最多，负载型Rh，Au催化剂则报道较少。为了提高催化剂的催化性能，将Pd和一种或多种金属元素连用制成双、多贵金属催化剂，如负载型Pd-Pt，Pd-Rh 催化剂，应用于甲烷燃烧反应。[5] 3.1.1 Pd催化剂
由于Pd良好的低温活性、抗硫中毒能力、温度自控能力而在天然气的催化燃烧中广泛应用。Pd具有很好的温度自控能力，防止了高温烧结。与其他贵金属相比，Pd表现出更为活泼的催化性能，其原因与氧化还原机理有一定的关系。比如，Pd比Pt 更易被还原，还原温度低120～200 ℃，这就使得Pd在稀的甲烷混合气氛下表现出高活性。Pd负载于高比表面积的载体上时其稳定性随载体不同有明显差异，有研究报道，SiO2 负载的Pd 催化剂较Al2O3 担载的Pd催化剂有较弱的抗烧结能力和较高的活性及较短的活性反应时间，目前通过提高贵金属的分散度，减小晶体的粒径；利用具有特殊孔结构的载体；采用不同的处理方法使载体氧化物对活性金属进行再修饰；用金属掺杂等方法提高它的热稳定性。3.1.2 Pt 催化剂
Pt跟Pd一样有一个氧化还原过程，Pt向PtO2转化的过程，与PdO相比，PtO2是高度不稳定的，它在非常低的温度(大约400℃)即分解。此外PtO2是高度易变的，这个特性可用来解释在纯氧条件下Pt表面的重整是靠PtO2在纳米尺度内输运Pt 完成的.在富氧条件下，Pt主要保持金属状态。Pt表面的氧化程度是其催化
行为的一个关键因素，Pt表面氧化程度低的催化剂活性要优于表面氧化程度高的催化剂，因此在富O2条件下，应降低Pt表面的氧化程度。3.1.3 负载型Rh，Au 催化剂
相对Pd，Pt催化剂来说，负载型Rh，Au催化剂则报道较少。近年来，Au催化剂开始受到人们的关注.已经发现由共沉淀法、沉积沉淀等方法制备的过渡金属氧化物负载型Au催化剂，对甲烷燃烧有较好的催化活性。由共沉淀法制备的负载型金催化剂，对甲烷燃烧反应的催化活性顺序如下: Au/ Co3O4 >Au/ NiO> Au/ MnOx> Au/ Fe2O3-Au/ CeO2。对于甲烷燃烧反应，负载型金催化剂的活性高于Pt/ Al2O3的活性。活性最高的Au/ Co3O4催化剂具有已商品化的Pd/ Al2O3催化剂相当的活性。
3.1.4 双、多贵金属催化剂体系
为了保持催化活性在一个较高的水平，将Pd和一种或多种铂族元素连用制成双、多贵金属催化剂，应用于甲烷燃烧反应.当用Pd-Pt代替Pd时，催化剂的活性和催化稳定性得到进一步提高.经研究认为催化稳定性的提高是由于复合催化剂中的Pt抑制了Pd/PdO的烧结，当把以Co3O4为载体的Au、Pt和Pd催化剂应用于甲烷催化燃烧，发现在Co3O4担载的Au催化剂中引入Pt，可以明显降低甲烷完全氧化反应的起燃温度和完全转化温度。对甲烷完全氧化反应的活性优于贵金属担载量相近的Pd/Co3O4催化剂，这是由于在Co3O4载体上Pt 和Au之间存在的协同作用提高了氧化甲烷的活性。
3.2 非贵金属
非贵金属催化剂可以克服贵金属耐热性差、容易烧结、价格昂贵等缺点，金属氧化物催化剂由于其具有低温高活性的吸附氧和高温高活性的晶格氧，燃烧活性接近贵金属催化剂，原料价廉易得，热稳定性更高，有望在将来部分甚至完全取代贵金属催化剂，其中钙钛矿型催化剂和六铝酸盐催化剂是金属氧化物催化剂研究的焦点。以Cu，Co，Mn，Cr，Ni等单一过渡金属氧化物为活性组分的催化剂，对甲烷催化燃烧也有较好的活性，对这些金属氧化物进行掺杂可以使其催化性能发生显著改变。这些氧化物的活性主要是由金属原子的d层电子结构所决定的。当d层电子数为3，6，8时，一般其氧化物催化活性较高。而当d层电子数为0，5，10时，其活性相对较低。当温度超过1000℃使用时，大多数单氧化物催
化剂还易烧结。为解决热稳定性的问题，一般采用复合氧化物催化剂，如钙钛矿型化合物、六铝酸盐、尖晶石型氧化物、萤石型复氧化物、烧绿石型化合物，其中最具发展潜力的是前两者。[6] 3.2.1 过渡金属氧化物及类钙钛矿催化剂
这类催化剂的活性接近贵金属。过渡金属中Fe、Co、Mn的氧化物表现出较好的催化活性。其中Fe2O3作为活性组分，具有稳定性好、CO2选择性高等优点。钙钛矿型金属氧化物催化剂的通用式为ABO3，催化性能取决于A、B离子的种类和过渡金属B的价态。通常A离子为催化活性较低但起稳定作用的元素，而B离子是过渡金属元素，起主要活性作用。通过更换A离子或B离子的种类，可改善催化材料的氧吸脱附性能，从而提高催化活性。钙钛矿型金属氧化物催化剂比表面积的大小主要依赖于其制备方法，其制备方法一般有柠檬酸盐法、共沉淀法、溅射干燥法、硅酸盐法、冷冻-干燥法等。为了克服钙钛矿型催化剂比表面小、成型困难等缺点，采用浸渍法将钙钛矿活性组分负载在Al2O3、SiO2、LaAlO3、ZrO2等这些具有较高比表面、足够强度的载体上，已取得了令人满意的效果。所以有人认为钙钛矿型催化剂尤其是经过改性的稀土钙钛矿型催化剂，是一种有望在未来部分甚至完全取代贵金属催化剂的新型甲烷完全燃烧催化剂。3.2.2 六铝酸盐系列催化剂
六铝酸盐系列催化剂具有较好的热稳定性能以及较高的机械强度。从这些方面看，六铝酸盐及取代型六铝酸盐被认为是高温催化燃烧最有应用前景的催化剂和活性载体。六铝酸盐型催化剂可以用AAl11O19表示，A通常是碱金属、碱土金属或稀土金属.由于它们的薄层结构(由单分子氧化物分离的尖晶石块组成)，六铝酸盐型催化剂具有高的热力学稳定性。A位阳离子的半径和价态决定了六铝酸盐催化剂的晶体结构类型。制备方法对六铝酸盐型催化剂的高热稳定性、比表面积和甲烷燃烧活性有较大影响。六铝酸盐型催化剂的合成一般采用粉末固态反应法、醇盐水解法、共沉淀法、微乳法等.未经掺杂的催化剂具有高的热力学稳定性，但催化活性非常低，掺杂后催化活性得到提高，通过向六铝酸盐骨架中引入与Al3+直径相近的Mn3+、Co3+、Fe3+、Ni2+等活性组分，可显著提高催化剂的甲烷燃烧活性，其中又以Mn的活性最高。[7]
采用超临界干燥法制备的BaAl12O19和BaMn-Al11O19催化剂的透射电镜照片 6
分别如图1所示:(a)为BaAl12O19催化剂，(b)为BaMnAl11O19催化剂.由图1(a)看出，未用Mn 离子取代的样品经1200℃焙烧后，生成片状结构，但仍有一些针状结构存在，片状结构是六铝酸盐的典型晶貌结构，说明在1200℃时已经生成了六铝酸盐相，针状结构说明仍有尖晶石相存在，这和XRD的表征结果相一致。1个Mn 离子取代的TEM 照片如图1(b)所示，其形貌为单一的薄片状结构，属于六铝酸盐晶体的特征形貌，直径约为200nm。这种由TEM反映的片状结构是六铝酸盐的特征微观结构的宏观反映，具有这种结构的材料在横向和纵向的聚集生长受到表面张力的约束，进一步阻止催化剂的高温烧结，有利于维持材料的较高比表面积和高温稳定性.图1 催化剂的TEM 照片(a)BaAl12O19;(b)BaMnAl11O19 BaMnxAl12−xO19的物相分析如图2所示，在1200℃焙烧4h后催化剂主要为晶相六铝酸盐，和BaAl12O19[26-0135]的标准谱图较好地吻合。对于未被Mn 离子取代的BaAl12O19催化剂，晶相中仍有BaAl2O4[17-0306]相存在，2θ分别在19.6°，45.0°，45.9°和57.8°出现BaAl2O4的特征峰。随着六铝酸盐中引入Mn 离子，BaAl2O4 相消失，当Mn 离子取代数为1，2时，催化剂为单一的六铝酸盐晶相，Mn 离子的取代量继续增加至3 时，又有BaAl2O4 晶相析出，当Mn离子取代量为4 时，BaAl2O4相增多.这说明Mn 离子的引入有利于六铝酸盐的生成，但过多的Mn 离子会导致晶格发生形变，导致BaAl2O4 相析出，这是由于六铝酸盐为尖晶石结构单元，与BaO 构成的镜面交替堆积成层状结构晶体，Mn 离子的离子半径大于 7
Al3+的离子半径，过量的Mn 离子会使得六铝酸盐中的晶体发生形变或膨胀，使BaAl2O4镜面发生偏移，从而导致BaAl2O4出现.根据Groppi 等的研究，Mn取代量小于1 时，Mn 容易以Mn2+的形式取代里面体配位的Al3+，随着Mn 取代量的增加，Mn 逐渐以Mn3+形式取代八面体配位的Al3+，二价和三价Mn 的离子半径分别为0.080 和0.066 nm，均大于Al3+(0.051 nm)，所以用Mn 取代Al 后引起晶面间距增加(110 晶面的晶面间距见表2)，反映在2θ角上，会导致2θ 减小。Mn—O键长大于Al—O键，随着Mn 取代量的增加，六铝酸盐晶格畸变的程度增加。畸变越大，造成六铝酸盐的热稳定性越差。
图2 BaMnxAl12−xO19在1200℃焙烧4h的XRD 谱图
(a)BaAl12O19;(b)BaMnAl11O19;(c)BaMn2Al10O19;(d)BaMn3Al9O19;
(e)BaMn4Al8O19 8
3.2.3 氧化锡、二氧化锡基催化剂
SnO和SnO2都具有较好的催化燃烧活性，但在高温下易烧结、活性较差。通过Cr、Cu、Co 引入SnO2，发现催化活性进一步提高.采用双股并流共沉淀法将过渡金属铜加入氧化锡制备了SnCuO 系列催化剂，发现具有较大比表面积的SnCu4 具有最高的催化活性，500℃下即可将98% 的甲烷转化为CO2，并且该催化剂起燃温度为300℃。采用浸渍法制备了负载型MOx-SnO2(M= Ce、Co)催化剂，结果表明，MOx负载量的提高，催化剂的比表面积增大，晶粒减小，进而影响到催化剂的物化性能和反应活性。3.2.4 Ce-Zr固溶体催化剂
固溶体作为一种新型催化材料以其较大的比表面积、良好的热稳定性和较高的储氧能力被广泛用于各类催化反应。尤其是Ce-Zr 固溶体，即所谓的储氧材料(OSM)，有着特殊的氧化∀ 还原性质，被认为是烃类催化燃烧中的一种很有潜力的载体。实验结果表明，Ce-Zr-Co 系列催化剂对于甲烷催化燃烧反应具有良好的活性和稳定性，在空速30000h-1下可在580℃将甲烷完全催化转化。反应气体总空速对催化剂反应活性的、影响较大，空速降低，甲烷完全转化温度也随之降低。
3.2.5 其他金属氧化物催化剂
以Cu、Co、Mn、Cr、Ni等单一过渡金属氧化物为活性组分的催化剂，对甲烷催化燃烧也有较好的活性，对这些金属氧化物进行掺杂可以使其催化性能发生显著改变，如CuO/ Al2O3、CuO/ Fe2O3、CuO/ Mn3O4 等。Choudhary 等发现在氧化锆中掺杂过渡金属如Mn、Co、Cr、Fe 等，使甲烷及丙烷的燃烧活性有很大的提高。研究表明，过渡金属掺杂的氧化锆催化剂，活性要高于钙钛矿型催化剂，与负载型贵金属催化剂相当。此外，由Ca，Mn，Nd 等掺杂的CeO2催化剂也显示了较没有掺杂的CeO2催化剂更好的活性，而加入PdO 却降低了催化活性.在NiO中加入La 和Zr 能够控制催化剂的晶体尺寸和还原性能，这是由于掺杂后的样品还原性较好，因此改性的NiO催化剂使甲烷氧化活性提高。加入过渡金属，如Ag和Cu 也可以提高样品的甲烷燃烧活性。
前景展望
甲烷催化燃烧有着很好的发展前景。在甲烷催化燃烧过程中所用催化剂存在两个关键问题:热稳定性和低温活性.故高活性、高稳定性、成本较低的催化剂的开发是其能否实现工业化的关键。所用的贵金属催化剂具有很高的催化活性，能使甲烷具有较低的起燃温度和完全燃烧温度。如何提高催化剂的比表面积以及活性相和载体之间的协同效应，催化剂的制备方法尤为重要，通过提高贵金属的分散度，选择合适的载体和制备方法，采用适宜的非贵金属掺杂等进一步提高催化活性和热稳定性，并降低其成本是下一步要解决的问题。非贵金属催化剂中钙钛矿型催化剂和六铝酸盐系列催化剂表现出很好的高温催化活性，因其价格较低，有着更好的发展前景。固溶体对于甲烷催化燃烧反应也有良好的催化活性和稳定性，但对此类催化剂的研究还较少，应引起研究者的重视。另外，将纳米微粒制备技术应用于催化剂的制备，也能有效地提高催化剂的活性。总之，开发具有低温高活性、高温热稳定性、抗机械和热冲击能力强、抗中毒能力和再生能力良好、整个生命周期符合节能绿色环保要求的廉价催化剂是催化研究的总体方向。微尺度和均相反应也将成为未来催化燃烧的一个崭新领域。
参考文献
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致
谢
本论文是在导师文书堂副教授的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
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