适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种催化剂，具体设及的是一种适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 汽相催化交换（VPC巧可用于生产重水过程中的初浓，W及反应堆重水除氣，最早 出现于美国曼哈顿期间重水的生产。上世纪70年代，法国的Lane-Langevin研究所采用 VPCE+低溫精馈（CD)的技术进行重水提氣，运是最早利用VPCE进行重水提氣工业化应用。
[0003] 聚变反应堆中会产生大量的氣水，运些氣水必须达到允许排放的标准才能被排 出。国际热核聚变实验堆（ITER)计划中拟使用VPCE反应装置进行水降氣，使得高浓度的 氣水浓度降低到可W排放的标准浓度。
[0004] 为了提高氨-水蒸汽汽相催化交换的效率，反应需要在200°C下进行反应，此时 两相为氨气和水蒸汽，整个过程需要在催化剂存在的条件下才能迅速完成。反应物为气相 (汽相），故传统的亲水催化剂即可。最早使用的催化剂是Pt/c和Ni/Cr2〇3,后来逐渐发展 为Pt/Al2〇3催化剂。VPCE过程中发生如下反应：
[0007] 催化交换过程为扩散、化学吸附、表面反应、脱附和反方向扩散：W上述第一个反 应皿0+?为例：
[0011] 反应物氨气和水汽分子扩散进入催化剂颗粒的内部（内扩散），反应物化学吸附， 在催化剂的作用下，&或氨同位素气体在活性金属表面上进行吸附解离，为反应提供活性 氨原子，在催化剂上进行同位素交换，最后完成脱附W及氨原子结合。
[0012] 由W上叙述可知，催化剂的研制是VPCE过程的关键问题。我国的VPCE装置目前处 于实验室研发阶段，并没有实际运用，而相关催化剂制备与测试也并没有见诸报道。从相关 文献知道，大范围运用的VPCE催化剂主要为贵金属Pt催化剂，因其使用量巨大（公斤级）， 所W造价昂贵。其载体多为C或Al2〇3载体，形状为小颗粒球型，装填方式不确定，压降大。
[0013] 因此，为了降低催化剂制作成本，简化制备工艺，提高催化剂使用寿命，增加催化 活性，寻求一种易装填、低压力降、强度大、耐高溫、比表面积大，与活性金属有较强结合力 的催化剂载体等问题是目前急需攻克的难题。
【发明内容】
[0014] 针对上述技术不足，本发明提供了一种适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制 备方法，可W很好地解决已知的VPCE催化剂成本高、工艺复杂、压降高、强度低、比表面积 不大，与活性金属结合力较差等问题。
[0015] 为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：
[0016] 适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制备方法，所述的催化剂由作为载体的蜂 窝陶瓷，W及负载在载体上、并作为催化活性成分的单质儀构成；所述的制备方法则包括W 下步骤：
[0017] (1)将蜂窝陶瓷于150°c下烘干，并将其作为载体；
[0018](2)量取与载体等体积吸水量的饱和Ni(N03)2水溶液，然后将载体放入至该水溶 液中浸溃12小时W上，直至载体将饱和Ni(N03) 2水溶液全部吸收，并且Ni离子均匀分布在 载体中；
[0019] (3)在气氛为空气、溫度至少为350°C的条件下，将载体赔烧2小时W上，直至其脱 除硝基；
[0020] (4)将脱除硝基后的载体于10%浓度的氨气气氛下还原，得到蜂窝陶瓷催化剂。
[0021] 进一步地，所述步骤（1)~（4)循环两次。
[0022] 为了进一步提高催化剂的综合性能，所述蜂窝陶瓷为堇青石蜂窝陶瓷。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：
[0024] (1)本发明工艺简单、制备周期短、制备成本低廉、催化效果明显，为VPCE及其催 化剂的后续研究提供了非常有价值的参考。
[00对 似本发明W蜂窝陶瓷作为载体，等体积吸水量的饱和Ni(N03)2水溶液作为浸溃 液，在经由赔烧（空气气氛、350°C条件）脱硝基及还原（氨气气氛）后，可实现Ni在蜂窝 陶瓷上的负载，运其中不仅原料来源广泛、成本低廉，而且基本不含杂质，并且Ni与载体之 间的结合紧密，Ni颗粒不易脱落；同时，根据SEM形貌图可知，本发明制备的催化剂，其表面 是均匀分散的300皿左右的Ni团簇，Ni颗粒为10皿左右，负载量大，有助于增大比表面积。 因此，本发明既保证了催化剂的纯度，又充分提高了催化剂的催化效果。
[00%] (3)本发明选用堇青石蜂窝陶瓷作为载体，不仅利于装填、减少压降，而且可W进 一步保证催化剂在反应过程中能够稳定地发生催化反应，同时还能长时间保持催化效果。
[0027] (4)本发明性价比高、实用性强，可用于VPCE催化剂的大批量生产，因此，本发明 具有非常大的市场发展潜力，其相比现有技术来说，具有突出的实质性特点和显著的进步。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的流程示意图。
[0029] 图2为本发明制备的载Ni的蜂窝陶瓷催化剂的SEM形貌图
[0030] 图3为本发明制备的载Ni的蜂窝陶瓷催化剂的邸S结果示意图。
[0031] 图4为本发明静态催化交换氨气中気含量的变化曲线示意图。
[0032] 图5为本发明VPCE时尾气気含量的变化曲线示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合【附图说明】和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限 于W下实施例。
[0034] 如图1所示，本发明提供了一种负载Ni的蜂窝陶瓷催化剂，其可适用于氨-水蒸 汽相催化交换（VPC巧方面。本发明W蜂窝陶瓷作为载体，单质儀（Ni)作为催化活性成分 物质，并采用烘干、等体积-液相浸溃、赔烧和氨气还原等工艺对蜂窝陶瓷进行加工，从而 制得催化剂，其制备过程包括如下：
[00对 （1)将蜂窝陶瓷于150°C下烘干，并将其作为载体；
[0036] (2)量取与载体等体积吸水量的饱和Ni(N03) 2水溶液，然后将载体放入至该水溶 液中浸溃12小时W上，直至载体将饱和Ni(N03) 2水溶液全部吸收，并且Ni离子均匀分布在 载体中；
[0037] (3)在气氛为空气、溫度至少为350°C的条件下，将载体赔烧2小时W上，直至其脱 除硝基；
[0038] (4)将脱除硝基后的载体于10%浓度的氨气气氛下还原，得到蜂窝陶瓷催化剂。
[0039] 为了进一步提高蜂窝陶瓷的负载量，上述过程可重复循环两次。
[0040] 此外，由于VPCE的催化剂需要在高溫（200°C)、气流冲击、高湿度等恶劣环境中进 行催化工作，因此，为了提高催化剂的综合性能，本发明选用了堇青石蜂窝陶瓷作为载体。 由于堇青石蜂窝陶瓷具有耐高溫、比表面积大、结构强度高的优点，因而可W使催化剂在反 应过程中能够稳定地发生催化反应，并能长时间保持催化效果。
[OOW图2为利用本发明制备得到的催化剂的沈M形貌（Ium)，由图2可W看出，本发明 制备的催化剂，其中的Ni分散均匀，Ni团簇为300nm左右，Ni颗粒为IOnm左右，负载量大， 有利于增强催化剂的催化效果；同时，Ni与基底（堇青石）之间结合紧密，Ni颗粒不易脱 落。
[00创图3为利用本发明制备得到的催化剂的邸S测试结果，由图3可W看出，本发明制 备的催化剂，催化剂只含有堇青石和负载的Ni,不存在其他杂质，元素组成简单，因此制得 的催化剂纯度相当高。
[0043] 下面W-个实例对本发明制备的催化剂的效果进行说明。
[0044] 如图4所示，在装填168g(-个）载Ni蜂窝陶瓷催化剂的静态反应器中，氨气为 1. 6mol，気水为2. 92ml，反应迅速发生并最终稳定，说明催化剂催化性能优越，能将5%的 気水降低到3. 6 %左右浓度。
[0045] 而如图5所示，在装填168g(-个）载Ni蜂窝陶瓷催化剂的小型VPCE动态反应 中，氨气流量为IL/min，気水流量为32mlA，反应平衡时尾气気浓度3000ppm左右。
[0046] 上述两种情况，静态时，5%的気水降到3. 6%，说明催化剂本身催化效果优越；而 VPCE时的最终结果为4. 7%，虽然相较于静态时略差，但运是由于VPCE装置本身设计的工 艺参数还在设计阶段，因此运并不是催化剂催化性能的问题。
[0047] 本发明通过设计一种新型的催化剂，很好地解决了现有VPCE催化剂目前所存在 的各种问题。并且，采用本发明设计的制备方法，在更换载体和催化活性成分后，同样可W应用在其他负载型催化剂的制备上。因此，本发明相比现有技术来说，技术进步十分明显， 其很好地突破了现有技术的束缚，为VPCE的后续研究提供了强有力的铺垫。
[0048] 上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范 围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决 的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制备方法，其特征在于，所述的催化剂由作为 载体的蜂窝陶瓷，以及负载在载体上、并作为催化活性成分的单质镍构成；所述的制备方法 则包括以下步骤： (1) 将蜂窝陶瓷于150°C下烘干，并将其作为载体； (2) 量取与载体等体积吸水量的饱和Ni(NO3)2水溶液，然后将载体放入至该水溶液中 浸渍12小时以上，直至载体将饱和Ni(NO3)2水溶液全部吸收，并且Ni离子均匀分布在载 体中； (3) 在气氛为空气、温度至少为350°C的条件下，将载体焙烧2小时以上，直至其脱除硝 基； (4) 将脱除硝基后的载体于10%浓度的氢气气氛下还原，得到蜂窝陶瓷催化剂。2. 根据权利要求1所述的适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制备方法，其特征在 于，所述步骤（1)~（4)循环两次。3. 根据权利要求1或2所述的适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制备方法，其特 征在于，所述蜂窝陶瓷为堇青石蜂窝陶瓷。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于VPCE的载Ni蜂窝陶瓷催化剂的制备方法，包括：（1）将蜂窝陶瓷于150℃下烘干，并将其作为载体；（2）量取与载体等体积吸水量的饱和Ni（NO3）2水溶液，然后将载体放入至该水溶液中浸渍12小时以上，直至载体将饱和Ni（NO3）2水溶液全部吸收，并且Ni离子均匀分布在载体中；（3）在气氛为空气、温度至少为350℃的条件下，将载体焙烧2小时以上，直至其脱除硝基；（4）将脱除硝基后的载体于10%浓度的氢气气氛下还原，得到蜂窝陶瓷催化剂。本发明工艺简单、周期短、成本低廉、强度高、催化效果明显，为VPCE及其催化剂的研究提供了良好的铺垫，因此，其适于推广应用。
【IPC分类】C01B5/02, B01J35/04, B01J23/755, B01J35/10
【公开号】CN105195152
【申请号】CN201510657451
【发明人】喻彬, 罗德礼, 宋江锋, 张志 , 熊仁金, 罗军洪, 安永涛, 陈闽
【申请人】中国工程物理研究院材料研究所
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月12日