一种镍铁类复合氧化物催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种镍铁类复合氧化物催化剂及其制备方法和应用，属于大气污染控制技术领域。

背景技术

氮氧化物（nox）是造成酸雨、温室效应、光化学烟雾的主要原因，给人类健康及生存环境造成严重的危害。随着人们环保意识的增强以及法规政策的日益严格，nox的消除成为目前环保领域中的一个重要课题。nh3-scr技术是国内外最流行且效率最高的一种脱硝技术，其能否广泛应用的核心是运行工况下适宜催化剂的制备。因此开发新型催化剂体系仍是脱硝领域的研究热点。

ni基氧化物催化剂具有丰富的酸性位点以及较好的氧化还原能力，在nh3-scr脱硝领域，其n2选择性接近100%，远高于mn基氧化物脱硝催化剂，可以有效避免n2o等有害气体的二次产生。但是，相对较差的nh3-scr催化活性是其推广应用的主要制约因素。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种镍铁类复合氧化物催化剂及其制备方法和应用，借助类水滑石前驱体有效组装ni、fe，协同发挥二者作用，制备催化性能优异的nh3-scr脱硝催化剂。

本发明制备的镍铁类复合氧化物催化剂，具体以协同发挥ni、fe优势为切入点，通过制备nife类水滑石原位有效组装ni、fe，通过调变焙烧温度及比例优化所得复合金属氧化物催化剂的氧化还原性和酸碱性，制备一种scr活性好、n2选择性高、抗水抗硫性能强的催化剂。本发明原理：类水滑石是制备理想化学成分及相组成复合金属氧化物催化剂的优良前驱体；fe存在丰富多变的价态，强的电子传递及氧存储能力，可有效提升nh3-scr脱硝活性，同时其还兼具很好的抗水抗硫性能。本发明制备的复合氧化物常具有较高的比表面积和规则有序的介孔结构，能够促进活性组分的分散，利于金属离子间的电子传递。

本发明提供了一种镍铁类复合氧化物催化剂的制备方法，以含ni、fe的金属硝酸盐为原料，以尿素为沉淀剂、柠檬酸钠为络合剂，去离子水为溶剂、洗涤剂，经溶液配制、水热处理、样品洗涤、干燥步骤，制得nife-ldh前驱体；焙烧nife-ldh前驱体即得镍铁复合氧化物（nife-ldo）催化剂。

上述制备方法具体包括以下步骤：

（1）配制混合溶液：将含ni、fe的金属硝酸盐、尿素和柠檬酸钠，用去离子水充分溶解，金属离子总浓度为0.01-0.05mol/l；

（2）nife-ldh的制备：将步骤（1）所得混合溶液密封置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在100-140℃烘箱内加热3-48h，反应过程中体系ph值控制在6.00-10.00；

（3）样品后处理：将步骤（2）所得样品抽滤水洗至中性，在60℃-80℃的条件下干燥过夜，得到nife-ldh；

（4）制备nife-ldo：将nife-ldh前驱体放入马弗炉中焙烧，制得nife-ldo；

上述制备方法中，所述含ni、fe的金属硝酸盐是指六水合硝酸镍、九水合硝酸铁。

上述步骤（2）中，c(ni²⁺):c(fe³⁺)控制在2:1-6:1；其中c(ni²⁺)是指混合盐溶液中硝酸镍物质的量浓度，c(fe³⁺)是指混合盐溶液中铁离子物质的量浓度；n(fe³⁺):n(柠檬酸钠）控制在15-20，n(fe³⁺)是指fe³⁺的物质的量，n(柠檬酸钠）是指柠檬酸钠的物质的量；n（no3^-):n（urea）=1:1-2:1，其中n（no3^-)是指no3^-的物质的量，n（urea）是指尿素的物质的量。

上述步骤（4）中，前驱体在空气气氛中焙烧，焙烧温度为400-700℃，焙烧时间为2-5h；焙烧采用程序升温，升温速率2-10℃/min。

本发明提供了一种通过上述制备方法制备而成的镍铁类复合氧化物催化剂。

本发明提供了上述镍铁类复合氧化物催化剂在nh3-scr脱硝反应中的应用。

上述的应用，所述镍铁类复合氧化物催化剂在进行催化表征时，需借助催化剂活性测试装置，该装置由气路和流量控制系统，固定床反应器和控温系统，气体浓度分析检测系统组成；其中气路和流量控制系统模拟使用烟气在实验条件下的各气体浓度，固定床反应器和控温系统通过温度控制器来实现程序升温模拟烟气所处的环境，气体浓度分析检测系统用来检测反应之后的气体浓度，并记录数据。

将所得催化剂应用于实际脱硝实验中要先进行压片。将焙烧得到的nife-ldo置于压片机中，在20mpa下保持5-10min，用杵子碾碎，筛分成40-60目的颗粒。然后称取0.29-0.35g压片后的催化剂装入石英管中，连接在固定床反应器中进行催化实验。催化过程中反应气体及流量控制为：[no]=600ppm，[nh3]=600ppm，[o2]=5.0vol%，[so2]=0或100ppm，[h2o]=0或10.0vol%，n2作平衡气，反应气体空速为45000h^-1；催化反应在90-450°c进行，活性数据在反应达到平衡后采集。产物由thermofisheris10ftir检测分析，no转化率和n2选择性通过以下公式计算：

其中，[no]in、[nh3]in分别指反应器入口处的no和nh3气体的浓度；[no]out、[no2]out、[n2o]out分别指反应器出口no、no2和n2o的浓度。

本发明的有益效果：

（1）本发明以水热法制备nife-ldh前驱体，经焙烧制得nife-ldo催化剂，其具有较大的比表面积、规则有序的介孔结构，有利于活性中心均匀分散。

（2）本发明制得的nife-ldo催化剂应用于nh3-scr反应，在210-360℃窗口下拥有超过85%的催化活性，接近95%的n2选择性以及良好的抗水抗硫性能。

附图说明

图1为实施例1中nife-ldh及nife-ldo的xrd图谱；

图2为实施例2中nife-ldo催化剂用于nh3-scr反应时nox转化率及n2选择性曲线：a代表nox转化率，b代表n2选择性曲线；

图3为实施例2中nife-ldo催化剂抗水抗硫能力图谱；

图4为实施例3中nife-ldo催化剂的孔结构图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

（1）称取六水合硝酸镍0.19g，九水合硝酸铁0.13g，尿素0.045g，柠檬酸钠0.005gg，溶解于40ml蒸馏水中，并用磁力搅拌器搅拌10min使之完全溶解直至溶液澄清。

（2）将（1）得到的混合溶液密封置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在120℃烘箱内水热处理12h，溶液ph值为7.6。

（3）待反应釜自然冷却后，将反应后的溶液进行抽滤得到沉淀物，用去离子水洗涤多次至中性后，放入烘箱中于80℃下干燥12h，取出后经研磨过筛，即得nife-ldh前驱体。

（4）将nife-ldh前驱体置于坩埚内，将其放入马弗炉，设置升温过程（升温速率2℃/min）从室温程序升温到400℃，在400℃条件下煅烧3h，最终得到nife-ldo。

（5）将所得催化剂应用于实际脱硝实验中要先进行压片。将焙烧得到的nife-ldo置于压片机中，在20mpa下保持5min，用杵子碾碎，筛分成40-60目的颗粒。然后称取0.35g压片后的催化剂装入石英管中，连接在固定床反应器中进行催化实验。催化过程中反应气体及流量控制为：[no]=600ppm，[nh3]=600ppm，[o2]=5.0vol%，[so2]=0或100ppm，[h2o]=0或10.0vol%，n2作平衡气，反应气体空速为45000h^-1；催化反应在90-450°c进行，活性数据在反应达到平衡后采集。产物由thermofisheris10ftir检测分析，no转化率和n2选择性通过以下公式计算：

其中，[no]in、[nh3]in分别指反应器入口处的no和nh3气体的浓度；[no]out、[no2]out、[n2o]out分别指反应器出口no、no2和n2o的浓度。

对步骤（3）及（4）产物进行x射线衍射分析，其衍射谱图如附图1所示。nife-ldh谱图中11.6°，23.0°，34.5°，38.5°，46.0°，60.5°处的衍射峰分别属于水滑石的（003），（006），（012），（015），（018）和（110）晶面，证明nife-ldh已成功制备，并且没有杂相衍射峰的出现，证明制备的水滑石纯度较高；nife-ldo谱图显示出其氧化物主要为nio，fe物种高度分散在催化剂表面，有利于组分之间的充分接触进而有利于催化反应的进行。

实施例2：

（1）称取六水合硝酸镍0.23g，九水合硝酸铁0.081g，尿素0.043g，柠檬酸钠0.003g，溶解于40ml蒸馏水中，并用磁力搅拌器搅拌10min使之完全溶解直至溶液澄清。

（2）将（1）得到的混合溶液密封置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在120℃烘箱内水热处理12h，溶液ph值为7.3。

（3）待反应釜自然冷却后，将反应后的溶液进行抽滤得到沉淀物，多次用去离子水洗涤至中性后，放入烘箱中80℃干燥12h，取出后经研磨过筛，即得nife-ldh前驱体。

（4）将nife-ldh前驱体置于坩埚内，将其放入马弗炉，设置升温过程（升温速率为2℃/min）从室温程序升温到500℃，在500℃条件下煅烧3h，得到nife-ldo。

（5）将所得催化剂应用于实际脱硝实验中要先进行压片。将焙烧得到的nife-ldo置于压片机中，在20mpa下保持5min，用杵子碾碎，筛分成40-60目的颗粒。称取0.35g压片后的催化剂装入石英管中，连接在固定床反应器中进行催化实验。催化过程中反应气体及流量控制为：[no]=600ppm，[nh3]=600ppm，[o2]=5.0vol%，n2作平衡气，反应气体空速为45000h^-1；催化反应在90-450°c进行，活性数据在反应达到平衡后采集。产物由thermofisheris10ftir检测分析，no转化率和n2选择性通过以下公式计算：

其中，[no]in，[nh3]in分别指反应器入口处的no和nh3气体的浓度；[no]out，[no2]out，[n2o]out分别指反应器出口no,no2和n2o的浓度。

nife-ldo催化剂nox转化率（a）及n2选择性曲线（b）其结果如附图2所示，催化剂拥有很好的催化性能，在210-360°c窗口下拥有超过85%的催化活性，接近95%的n2选择性。

（6）称取0.35g催化剂颗粒并装入石英管中，对催化剂进行抗硫抗水性能评价。条件为：测试温度240°c；n2为平衡气，[no]=600ppm，[nh3]=600ppm，[o2]=5.0vol%，[so2]=100ppm，[h2o]=10vol%；混合气体的空速为45000h^-1。抗硫抗水能力曲线如附图3所示，先通入100ppmso2，催化剂nox转化率由99%下降至98%，接着通入10vol%h2o，nox转化率由98%下降至96%，仅下降2%左右,当移除so2和h2o后，催化剂nox转化率逐渐恢复到初始值。测试结果表明，nife-ldo催化剂具有良好的抗水抗硫性能

实施例3：

（1）称取六水合硝酸镍0.25g，九水合硝酸铁0.058g，尿素0.042g，柠檬酸钠0.002g，溶解于40ml蒸馏水中，并用磁力搅拌器搅拌10min使之完全溶解直至溶液澄清。

（2）将（1）得到的混合溶液密封置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在120℃烘箱内水热处理12h，溶液ph值为6.8。

（3）待反应釜自然冷却后，将反应后的溶液进行抽滤得到沉淀物，多次用去离子水洗涤至中性后，放入烘箱中80℃干燥12h，取出后经研磨过筛，即得nife-ldh前驱体。

（4）将nife-ldh前驱体置于坩埚内，将其放入马弗炉，设置升温过程（升温速率为2℃/min）从室温程序升温到600℃，在600℃条件下煅烧3h，得到nife-ldo。

（5）将所得催化剂应用于实际脱硝实验中要先进行压片。将焙烧得到的nife-ldo置于压片机中，在20mpa下保持5-10min，用杵子碾碎，筛分成40-60目的颗粒。称取0.29-0.35g压片后的催化剂装入石英管中，连接在固定床反应器中进行催化实验。催化过程中反应气体及流量控制为：[no]=600ppm，[nh3]=600ppm，[o2]=5.0vol%，[so2]=0或100ppm，[h2o]=0或10.0vol%，n2作平衡气，反应气体空速为45000h^-1；催化反应在90-450°c进行，活性数据在反应达到平衡后采集。产物由thermofisheris10ftir检测分析，no转化率和n2选择性通过以下公式计算：

其中，[no]in，[nh3]in分别指反应器入口处的no和nh3气体的浓度；[no]out，[no2]out，[n2o]out分别指反应器出口no,no2和n2o的浓度。

对(4)颗粒进行比表面分析，通过bet法分析比表面积，通过bjh方法分析孔径大小和孔径分布，其结果如附图4所示。由图可知，nife-ldo催化剂具有较大的比表面积（122m²g^-1），明显的介孔结构，且孔径分布较为均匀（3-4nm），这有利于催化过程的吸附和传质。