本发明专利技术涉及一种过渡金属元素负载型铈基催化剂及其制备方法和用途。本发明专利技术的催化剂由负载了过渡金属元素的二氧化铈(CeO2)构成，在CeO2载体表面得到呈高分散的过渡金属亚纳米原子簇，具有良好的原子利用率和利于CO吸附、反应的电子结构。所得的过渡金属元素高分散负载型铈基催化剂具有优异的CO催化氧化活性，达到现有商业贵金属催化剂水平，并且制备简单、成本低廉，能够规模化生产，可广泛适用于锅炉烟气、高炉烟气、焦化烟气等废气中高浓度CO的排放控制。排放控制。排放控制。
【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属元素负载型铈基催化剂及其制备方法和用途
[0001]本专利技术涉及一种高效催化一氧化碳(CO)氧化的过渡金属元素高分散负载型铈基催化剂及其制备方法和用途，属于催化剂领域。
技术介绍
[0002]一氧化碳(CO)是常见的大气污染物，不仅在低浓度下就具有较高的生物毒性，而且能够参与大气光化学反应形成光化学烟雾等二次污染、降低大气氧化性延长温室气体的大气停留时间。CO主要由化石燃料不完全燃烧产生，广泛排放于钢铁、焦化、工业锅炉、燃煤发电、暖气锅炉等行业。其中，钢铁、焦化行业烟气中，CO的浓度通常达到0.5～1vol％水平，需经净化脱除后方可达标排放。
[0003]催化氧化法具有较高的效率和较低的成本，是实现CO减排的重要方法，它在降低出口CO排放浓度的同时，还能利用氧化放热提升烟气温度，利于工业烟气后续处理。目前催化氧化CO技术大多使用贵金属催化剂，其催化性能优良，但成本高昂，且容易因贵金属流失、烧结、中毒等原因失活。铈基催化剂具有优异的氧化还原性能、较高的氧储存容量和氧迁移率，且价格较低廉、储量丰富。且过渡金属是良好的活性位点，使用Cu、Mn、Co等过渡金属元素作为活性成分对开发廉价、高效、稳定的CO催化剂非常重要。因此，考虑非贵金属元素的成本优势和性能前景，过渡金属元素负载型铈基催化剂具有替代负载型贵金属催化剂实现工业化应用的良好前景。
[0004]但是，目前过渡金属元素在氧化铈载体表面的分散性难以调控，对于目前常用的负载方式例如US9815044B2中，负载元素分散度较低会导致接触面处的活性位点数量难以提升，活性不足；负载元素单原子分散例如CN112044434A中，则易使过渡金属位点钝化，同样不利于活性提升。因此，通过调控负载的过渡金属元素在氧化铈表面呈亚纳米原子簇高分散，增加高活性反应位点含量，提升催化剂催化氧化CO性能是目前面临的技术挑战。
技术实现思路
[0005]专利技术要解决的问题
[0006]为克服上述现有技术缺点，需要提供一种在保证催化剂结构稳定的同时提升催化活性的催化剂。
[0007]因此，本专利技术的目的在于提出一种高效催化氧化CO的、结构稳定的过渡金属元素高分散负载型铈基催化剂及其制备方法和用途。
[0008]用于解决问题的方案
[0009]本专利技术中，通过设计负载方式，能够在保证催化剂结构稳定的同时提升催化活性。本专利技术的催化剂所负载的过渡金属元素呈高分散亚纳米原子簇，具有良好的原子利用率和优异的电子结构，展现出更优异的催化性能。
[0010][1]本专利技术提供一种过渡金属元素负载型铈基催化剂，其特征在于，所述催化剂是由作为载体的二氧化铈负载过渡金属元素形成的晶粒构成的多孔材料，所述催化剂由式M/
CeO2表示，其中M为过渡金属元素，
[0011]其中所述过渡金属元素在所述二氧化铈的表面呈单分散的尺寸为1～5nm的亚纳米原子簇形态。
[0012][2]根据以上[1]所述的催化剂，其中，所述过渡金属元素锚定在作为载体的二氧化铈表面的氧空位上。
[0013][3]根据以上[1]或[2]所述的催化剂，其中，所述过渡金属元素与所述二氧化铈的摩尔比为1:5～1:200、优选1:20～1:100。
[0014][4]根据以上[1]‑
[3]任一项所述的催化剂，其中，所述晶粒的直径为5～100nm、优选5～20nm；所述多孔材料的孔径为5～100nm、优选5～20nm；所述多孔材料的BET表面积为5～150m2·
g
‑1、优选50～150m2·
g
‑1。
[0015][5]根据以上[1]‑
[4]任一项所述的催化剂，其中，所述过渡金属元素选自锰、铁、钴、镍、铜中的一种或多种。
[0016][6]本专利技术还提供一种过渡金属元素负载型铈基催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
[0017]步骤一：将二氧化铈载体通过超声分散至第一溶剂中，得到悬浊液；
[0018]步骤二：将过渡金属元素前驱体溶于第二溶剂中，得到澄清溶液；
[0019]步骤三：将步骤二得到的澄清溶液加入步骤一得到的悬浊液中并进行搅拌，得到混合溶液；
[0020]步骤四：将步骤三得到的混合溶液转移至水热反应釜中进行水热反应；
[0021]步骤五：将经步骤四的水热反应获得的固体分离、洗涤、干燥、煅烧，得到过渡金属元素负载于作为载体的二氧化铈上的过渡金属元素负载型铈基催化剂。
[0022][7]根据以上[6]所述的制备方法，其中，步骤一中的所述悬浊液中，所述二氧化铈载体的质量浓度为5～200g/L、优选20～100g/L；所述步骤二中使用的过渡金属元素前驱体与步骤一中使用的二氧化铈载体的摩尔比为1:5～1:200、优选1:20～1:100；所述澄清溶液中，所述过渡金属元素前驱体的摩尔浓度为0.001～0.04mol/L、优选0.003～0.01mol/L。
[0023][8]根据以上[6]或[7]所述的制备方法，其中，所述过渡金属元素前驱体选自硝酸锰、氯化锰、氟化锰、硫酸锰、乙酸锰、草酸锰、溴化锰、硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、氟化铁、氟化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、乙酸铁、乙酸亚铁、草酸铁、草酸亚铁、溴化铁、溴化亚铁、硝酸钴、氯化钴、氟化钴、硫酸钴、乙酸钴、草酸钴、溴化钴、硝酸镍、氯化镍、氟化镍、硫酸镍、乙酸镍、草酸镍、溴化镍、硝酸铜、氯化铜、氟化铜、硫酸铜、醋酸铜、草酸铜、溴化铜中的一种或多种的混合物；所述第一溶剂和所述第二溶剂选自水、乙醇、甲醇、乙二醇、丙酮中的一种或多种的混合物；所述第一溶剂与所述第二溶剂相同或不同。
[0024][9]根据以上[6]‑
[8]任一项所述的制备方法，其中，所述步骤一中，超声分散时间为1～200min、优选20～100min；所述步骤三中，搅拌时间为0.5～12h、优选1～8h；所述步骤四中，水热温度为50～150℃、优选80～120℃，水热时间为0.5～36h、优选6～24h；所述步骤五中，所述煅烧为氧气含量1～100vol％条件下煅烧，煅烧温度为200～800℃、优选400～600℃，煅烧时间为0.5～12h、优选4～8h。
[0025][10]本专利技术进一步提供一种根据以上[1]‑
[5]任一项所述的催化剂或根据以上[6]‑
[9]任一项所述的制备方法得到的催化剂用于废气中CO去除的用途。
[0026]专利技术的效果
[0027]本专利技术的技术方案可具有如下有益效果：
[0028](1)本专利技术公开的催化剂中负载的过渡金属元素在二氧化铈载体的表面呈高度分散的亚纳米原子簇形态，具有良好的原子利用率和利于CO吸附、反应的电子结构，具有优异的催化活性，与现有商业贵金属催化剂相近，且实现了成本的显著降低。
[0029](2)本专利技术的制备方法简洁、成本低廉，能够规模化生产，具有商业化前景。
[0030](3)本专利技术的催化剂可100～500℃本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种过渡金属元素负载型铈基催化剂，其特征在于，所述催化剂是由作为载体的二氧化铈负载过渡金属元素形成的晶粒构成的多孔材料，所述催化剂由式M/CeO2表示，其中M为过渡金属元素，其中所述过渡金属元素在所述二氧化铈的表面呈单分散的尺寸为1～5nm的亚纳米原子簇形态。2.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述过渡金属元素锚定在作为载体的二氧化铈表面的氧空位上。3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其中，所述过渡金属元素与所述二氧化铈的摩尔比为1:5～1:200、优选1:20～1:100。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的催化剂，其中，所述晶粒的直径为5～100nm、优选5～20nm；所述多孔材料的孔径为5～100nm、优选5～20nm；所述多孔材料的BET表面积为5～150m2·
g
‑1、优选50～150m2·
g
‑1。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的催化剂，其中，所述过渡金属元素选自锰、铁、钴、镍、铜中的一种或多种。6.一种过渡金属元素负载型铈基催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤一：将二氧化铈载体通过超声分散至第一溶剂中，得到悬浊液；步骤二：将过渡金属元素前驱体溶于第二溶剂中，得到澄清溶液；步骤三：将步骤二得到的澄清溶液加入步骤一得到的悬浊液中并进行搅拌，得到混合溶液；步骤四：将步骤三得到的混合溶液转移至水热反应釜中进行水热反应；步骤五：将经步骤四的水热反应获得的固体分离、洗涤、干燥、煅烧，得到过渡金属元素负载于作为载体的二氧化铈上的过渡金属元素负载型铈基催化剂。7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤一中的所述悬浊液中，所述二氧化铈载体的质量浓度...
【专利技术属性】
技术研发人员：司文哲，苏子昂，陈德莉，彭悦，李俊华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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