催化剂及其制备方法和利用该催化剂的反应技术

本发明专利技术包括具有层式结构的催化剂，该催化剂具有：（１）多孔载体、（２）缓冲层、（３）边界层和任选的（４）催化剂层。本发明专利技术还提供了一种方法，在该方法中反应物经过盛有该催化剂的反应室而转化成产物。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有多孔载体、缓冲层和边界层的催化剂、制备该催化剂的方法和利用该催化剂的催化方法。相关申请该申请是美国序列号09/123,781的连续部分申请，将其引入作为参考。
技术介绍
包括蒸汽重整、水煤气转移反应、甲醇合成和催化燃烧在内的氢气和烃类化合物的转化反应是公知的。这些反应通常于150℃至1000℃进行。最近，在工业上利用催化剂颗粒来进行这些反应，该催化剂颗粒由沉积在高表面积的陶瓷颗粒上的活性催化金属或金属氧化物组成。泡沫或整体催化剂是公知的，该催化剂具有三层(1)多孔载体、(2)边界层和(3)如中所述的催化剂金属。在制备这些催化剂的过程中，通过包括溶液浸渍技术在内的各种方法将边界层进行沉积。通过溶液浸渍技术来沉积催化剂层。边界层比多孔载体具有更大的表面积，但是多孔载体的机械强度大于边界层。多孔载体可以是金属或陶瓷泡沫。金属泡沫具有较高的热传导性并易于加工。海绵状的机械性能便于在反应室内通过机械接触而方便地密封。金属泡沫和外壳反应器之间紧密相配的热膨胀使多孔载体的断裂最小化并将较高反应温度下的多孔载体周围的气体通道最小化。Pestryakov等用、不用的中间γ-氧化铝层制备了用于正丁烷氧化的金属泡沫为载体的过渡金属氧化物催化剂。Kosak研究了数种方法来将贵金属分散于各种金属泡沫上，其中将金属泡沫表面用HCl溶液进行预蚀刻，并报道化学沉积提供了贵金属粘附到泡沫载体上的最好粘合。Podyacheva等还用多孔氧化铝中间体合成了用于甲烷氧化的泡沫金属负载的LaCoO3钙钛矿催化剂。尽管所有金属泡沫负载的催化剂具有潜在的优点，但是金属泡沫具有较低的耐腐蚀性，并且其非多孔性和光滑网状表面提供了与陶瓷材料的不良粘合，这些材料在热循环后因其热膨胀的不匹配而易于出现边界层的层裂。为了增加耐腐蚀性，诸如与Al、Cr和Si形成扩散合金之类的方法已用于制备铁素体钢，通常将铁素体钢用于制造高温加热炉元件(约1200℃)。将含铝的铁素体钢进行适当热处理时，铝迁移到合金表面并形成牢固粘合的氧化物膜，该氧化物膜能阻止氧气扩散。该铁素体钢箔已用于制备具有大于10ppi(孔/英寸)的开孔金属整体。但是，对具有适于催化应用的孔(＜20ppi，优选80ppi)的类似合金泡沫的研究还没有结果。这归咎于制备更微细的Al铁素体钢泡沫的不成熟方法和用于制备泡沫的合金前体的缺乏。因此，在负载催化剂的领域内需要提供多孔的泡沫载体，该泡沫多孔载体具有耐腐蚀性或抗氧化性，并能阻止边界层的断裂。参考文献1.A.N.Pestryakov，A.A.Fyodorov，V.A.Shurov，M.S.Gaisinovich，和I.V.Fyodorova，React.Kinet.Catal.Lett.，53347-352(1994)。2.A.N.Pestryakov，A.A.Fyodorov，M.S.Gaisinovich，V.P.Shurov，I.V.Fyodorova，和T.A.Gubaykulina，React.Kinet.Catal.Lett.，54167-172(1995)。3.J.R.Kosak.用于H2和O2的直接燃烧生成H2O2的新型固定床催化剂，M.G.Scaros和M.L.Prunier，Eds.，Catalysis of OrganicReactions，Marcel Dekker，Inc.(1995)，p115-124。4.O.Y.Podyacheva，A.A.Ketov，Z.R.Ismagilov，V.A.Ushakov，A.Bos和H.J.Veringa，React.Kinet.Catal.Lett.，60243-250(1997)。5.A.N.Leonov，O.L.Smorygo和V.K.Sheleg，React.Kinet.Catal.Lett.，60 259-267(1997)。6.M.V.Twigg和D.E.Webster.金属和涂层金属催化剂，ACybulski和J.A.Moulin，Eds.，Structured Catalysts and Reactors，Marcel Dekker，Inc.(1998)，第59-90页。专利技术概述本专利技术包括至少具有三层(1)多孔载体、(2)缓冲层、(3)边界层以及任选的(4)催化活性层的催化剂。在一些实施方案中，位于多孔载体和边界层之间的缓冲层至少包含两个组成不同的子层。该缓冲层通常提供从多孔载体到边界层的热膨胀系数的转变，因此，当将催化剂加热至较高的操作温度和从较高的操作温度冷却时减小了热膨胀应力。该缓冲层还减小了多孔载体的腐蚀和氧化，并使通过多孔载体表面催化的副反应最小化。本专利技术还提供了具有多孔载体、位于多孔载体和边界层之间的缓冲层的催化剂，其中催化剂具有抗氧化性，从而将该催化剂在空气中于580℃加热2500分钟时，催化剂的重量增加小于5％。另一选择，该催化剂的特征也可以在于其在热循环过程中有耐剥落性。本专利技术还提供了将至少一种反应物转化成至少一种产物的方法，其中反应物经过含有催化剂的反应室。本专利技术的用于制备多层催化剂(至少三层)的方法具有以下步骤(1)选择多孔载体、(2)在多孔载体上沉积缓冲层、(3)在缓冲层上沉积边界层，和任选地(4)将催化活性层沉积于边界层上或与边界层成一整体；其中该缓冲层位于多孔载体和边界层之间。将缓冲层进行蒸发沉积可以得到更好的结果。将催化活性层在边界层沉积之后或沉积之中进行沉积。本专利技术(包括具有缓冲层和边界层的多孔载体)的优点可包括热膨胀系数的良好匹配和对温度变化的良好稳定性、诸如焦化之类的副反应的减少、所需的金属氧化物的相互作用、牢固粘合到高表面积的边界层上以及对底层多孔载体的保护增强。将本专利技术的主题特别提出并在该说明书的结论部分清楚地进行要求。但是，通过参照下面的与附图相连的说明书可最好地理解操作方法和体制以及更多的优点及其目的，其中相似的参考符号是指同一元件。附图简述附图说明图1是催化剂的截面放大图。图2a是不锈钢泡沫(顶部线条)和涂有二氧化钛的不锈钢泡沫(底部线条)于580℃(虚线)的重量增加(通过氧化)对时间的示意图。图2b是镍泡沫(顶部线条)和涂有二氧化钛的镍泡沫(底部线条)于500℃的重量增加(通过氧化)对时间的示意图。图3是一对显微照片，该显微照片比较了热循环对具有二氧化钛缓冲层和氧化铝修补基面涂层的不锈钢泡沫(左侧)和具有氧化铝修补基面涂层的不锈钢泡沫(无缓冲层，右侧)的影响。优选实施方案的描述本专利技术的催化剂描述于图1中，该催化剂具有多孔载体100、缓冲层102、边界层104和任选的催化剂层106。任何一层以点或圆点形式或以具有间隙或孔的层的形式可以是连续的或非连续的。多孔载体100可以是多孔陶瓷或金属泡沫。适于本专利技术使用的其它多孔载体包括碳化物、氮化物和复合材料。在沉积各层之前，按照汞孔隙度测定法测定的多孔载体的孔隙率至少为5％，按照光学和扫描电子显微镜测定的多孔载体的平均孔径(孔直径的和/孔数目)为1μm～1000μm。优选多孔载体的孔隙率为约30％至约99％，更优选70％至98％。多孔载体的优选形式是泡沫、毛毡、填絮及其组合。泡沫是在整个结构内具有连续内壁确定的孔的结构。毛毡是相互之间具有间隙空间的纤维结构。填本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化剂，该催化剂包含多孔载体、缓冲层、边界层和表面上的催化活性层，其中缓冲层位于多孔载体和边界层之间，边界层位于催化活性层和缓冲层之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：ALY通科维奇，Y王，Y高，
申请(专利权)人：巴特勒记忆研究所，
类型：发明
国别省市：US[美国]