一种低温氢还原N2O的碳载金属催化剂及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种低温氢还原N2O的碳载金属催化剂及其应用，属于空气污染治理领域。该方法以H2为还原剂，使用商业活性碳或椰壳碳负载金属硝酸盐，使得金属的负载量约为3

【技术实现步骤摘要】
一种低温氢还原N2O的碳载金属催化剂及其应用


[0001]本专利技术涉及大气污染净化
，尤其是涉及一种低温氢还原N2O的碳载金属催化剂及其应用。

技术介绍

[0002]目前NO
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主要排放量已由工业源主导逐渐转变为工业源和机动车共同主导。一方面，对于汽车尾气中N2O的检测方法更关注发动机在低速、低负荷工况下(尾气温度低)的排放。另一方面，对于工业源中一般用于还原NO
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的SCR装置，放置在除尘器之后，此时通入SCR装置中的烟气温度通常在100～300℃。如果在烟气温度下能够还原N2O，便能节约能源。因此无论是针对移动源还是固定源，都需要开发高效低温脱硝催化剂。
[0003]目前的N2O分解催化剂主要分为贵金属、金属氧化物和沸石基催化剂。贵金属主要用于硝酸生产和汽车尾气排放，其催化温度最低，在240～320℃之间表现出良好的催化性能，但是价格昂贵。金属氧化物催化剂种类繁多，因其成本低、热稳定性好而广泛应用于N2O的脱除，但是相比于贵金属，催化温度较高，大约在300～500℃之间能够达到50％的N2O还原率。
[0004]然而，贵金属和金属氧化物的催化还原效果都显著受到环境中O2和H2O的影响。分子筛催化剂可用于石油化工和酸工业，能够表现较好环境耐受性，当反应器分中存在O2时对于N2O的还原效率影响不大。但其成本较高，制备工艺复杂，且还原温度普遍较高(T
50
大约在400～650℃之间)。
[0005]由于贵金属、金属氧化物和沸石基催化剂都有各自的缺点，因此技术人员需要寻找一种新型的还原N2O催化剂。碳基材料因其价格低廉、表面疏松多孔、能够形成分散的催化剂活性相、在反应后能够回收其表面的活性物质等优点而在近年来被广泛利用于大气污染物的吸附和还原，是现有催化载体的可行替代物。在碳基材料上负载金属作为活性相能够在很大程度上促进其还原N2O的催化能力，但是目前来说，碳基材料上负载金属负载何种金属能够达到优秀的催化效果仍然不明确，载体表面负载贵金属为活性相仍然是研究的主要内容，严重影响了还原N2O催化剂的发展。
[0006]除了催化剂自身的因素，反应气氛对于N2O的还原效果也有较大影响。催化剂表面在还原N2O的过程中，N2释放后剩余的氧原子占据表面的活性位点，导致催化剂失活。选择性催化还原(SCR)技术可能是解决这一问题的有前途的策略。
[0007]在实际应用和实验室研究中，SCR方案中常用的还原剂包括H2、CO、HC
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和NH3。CO、HC
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或NH3等还原剂有助于去除表面活性位点上吸附的N2O分解过程中产生的表面氧物质。目前还原剂主要以CO、NH3占据主导地位，但其在实际应用中已明显存在不足，如氨泄漏、空气加热器结垢、催化剂中毒和高运行成本。
[0008]相比之下，氢能源以其绿色、高效、应用范围广等优势，成为全球最具发展潜力的清洁能源。H2作为一种无毒气体，其选择性催化还原NO
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的绿色技术可用于低温(<200℃)下的固定源和移动排气。其他还原剂相比，H2作为还原剂需要的反应温度最低，H2在空气中燃
烧产生H2O而不产生CO2，无二次污染，因此更加环保。
[0009]但是，H2作为SCR过程中的还原剂，目前研究的热点仍然在于其还原NO。对于H2催化还原N2O的研究十分局限，也限制了N2O低温还原的相关研究。
[0010]有鉴于此，为实现N2O还原技术的广泛应用，需要进一步探索低温高效、价格低廉的催化剂。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种低温氢还原N2O的碳载金属催化剂及其应用。本专利技术的催化剂效率高，其中负载金属Ni后的活性碳表面能够在160℃的条件下达到90％的N2O脱除率，并且价格低廉，有效降低了N2O的还原成本，反应生成物均为环境友好型(H2O和N2)，无二次污染，且催化剂寿命较长。
[0012]本专利技术的技术方案如下：
[0013]一种低温氢还原N2O的碳基金属催化剂，所述催化剂为负载金属的碳基材料，所述催化剂中金属元素的质量分数为3
‑
10wt.％；
[0014]所述催化剂的制备方法如下：
[0015]S1、将改性剂稀释后浸入10
‑
24目的碳基材料，在室温下磁力搅拌使之充分接触，用于去除碳基材料中存在的杂质；然后烘箱中干燥过夜；干燥完成后，将碳基材料用去离子水清洗，以除去过量的改性剂，直至洗涤水中性；在烘箱中干燥过夜，得到催化剂前驱体HNO3‑
Char；
[0016]S2、在环境温度下，将金属硝酸盐溶解于去离子水中，随后将HNO3‑
Char添加到金属硝酸盐的水溶液中，使金属负载量为以3
‑
10wt.％；然后在室温下磁力搅拌使之充分接触，在室温下干燥混合溶液；
[0017]S3、将获得的固体样品在400℃的N2气氛中煅烧2小时；然后将煅烧的样品在200ml/min的H2流速下还原2小时，还原温度为250℃；所得催化剂根据负载金属的不同，分别以Metal
‑
char表示。
[0018]优选的，所述负载的金属为碱金属或过渡金属。
[0019]更优选的，所述负载的金属包括K、Ca、Na、Fe、Co、Ni或Cu。
[0020]优选的，步骤S1所述碳基材料包括活性碳或椰壳碳；步骤S1中所述的活性碳中存在的杂质包括金属、矿物质等。
[0021]优选的，步骤S1所述改性剂为纯硝酸试剂。
[0022]优选的，步骤S2的操作方法为：每次取用8g的HNO3‑
Char材料，计算所需金属负载量时对应的金属硝酸盐质量，溶解于100ml去离子水中。
[0023]本专利技术还提供了所述的催化剂的应用方法，将所述催化剂置于含N2O气体的环境中，在温度为40～200℃的条件下通入H2或者N2气氛，从而将N2O还原为H2O和N2。
[0024]优选的，在使用H2催化还原N2O时，总气体流量为3.2L/min，其中H2为2000ppm，N2O为400ppm，其余的以N2做平衡气体。
[0025]本专利技术有益的技术效果在于：
[0026]1、目前对于分解N2O的催化剂载体的研究多集中于贵金属、金属氧化物和沸石基催化剂，相比之下煤基活性碳价格低廉，疏松多孔，催化性能优异，是一种良好的催化剂载
体，并已在还原NO上具有良好的性能，所以本专利技术关注于碳基材料还原N2O的效能。
[0027]2、在催化剂表面负载过渡金属也能够有良好的促进作用，但是对于何种过渡金属的种类能够达到较好的促进作用，仍然没有准确的定论。目前作为活性相的金属大多为贵金属，价格昂贵，所以本专利技术基于煤基活性碳还原N2O的基础上，在其表面负载过渡金属和碱金属，促进其催化效果。
[0028]3、SCR技术中CO、HC
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和NH3等气体不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温氢还原N2O的碳基金属催化剂，所述催化剂为负载金属的碳基材料，其特征在于，所述催化剂中金属元素的质量分数为3
‑
10wt.％；所述催化剂的制备方法如下：S1、将改性剂稀释后浸入10
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24目的碳基材料，在室温下磁力搅拌使之充分接触，用于去除碳基材料中存在的杂质；然后烘箱中干燥过夜；干燥完成后，将碳基材料用去离子水清洗，以除去过量的改性剂，直至洗涤水中性；在烘箱中干燥过夜，得到催化剂前驱体HNO3‑
Char；S2、在环境温度下，将金属硝酸盐溶解于去离子水中，随后将HNO3‑
Char添加到金属硝酸盐的水溶液中，使金属负载量为以3
‑
10wt.％；然后在室温下磁力搅拌使之充分接触，在室温下干燥混合溶液；S3、将获得的固体样品在400℃的N2气氛中煅烧2小时；然后将煅烧的样品在200ml/min的H2流速下还原2小时，还原温度为250℃；所得催化剂根据负载金属的不同，分别以Metal
‑
ch...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡雨燕，冯凯旋，冯昱恒，尹丽洁，陈德珍，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：