一种低温高效的Fe基催化剂及其制备方法与应用与流程

本发明属于催化剂材料制备领域，具体涉及一种高效、低温fe基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

随着经济的发展和人们生活水平的日益提高，环境问题越来越受到人们的重视。来源于火山喷发、植物释放和森林火灾等天然源及工业生产、车辆尾气排放、农业生产和人类日常生活等人为源的挥发性有机物（vocs）是大气中的主要污染物之一，会导致烟雾、温室效应的形成和平流层臭氧的破坏等环境问题，还会刺激人的眼睛和上呼吸道系统，损害中枢神经和造血组织，对人体健康造成巨大的危害。为了改善空气质量，有效应对空气污染问题，包括吸附、膜分离和冷凝等常规控制过程以及光催化、离子体催化、热氧化和催化氧化等新兴技术已被提出用于挥发性有机化合物的去除。在这些技术中，催化氧化技术由于其起燃温度低、设备简单、不产生二次污染且催化氧化效率高而被认为是挥发性有机物的最有效去除途径之一。

贵金属的催化剂在较低的温度下可以表现出优异的催化性能，但其一般要求贵金属的负载量很高，由于au、pd和pt等贵金属的价格昂贵，并且贵金属催化剂在高温阶段容易烧结，大大限制了贵金属催化剂在甲苯催化燃烧中的实际应用。一个很有前景的替代贵金属基催化剂的材料是过渡金属氧化物（包括fe2o3，tio2，zno等）催化剂，其因成本低、原料易得并具有优异的甲苯燃烧性能而被众多学者研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于烃类低温催化燃烧的高效fe基催化剂及其制备方法，其可解决烃类催化燃烧过程中普遍存在的成本高、操作复杂等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低温高效的fe基催化剂，其是以可溶性铁盐与可溶性钛盐或可溶性锌盐为原料，通过共沉淀法制得所述fe基催化剂；其中，可溶性铁盐与可溶性钛盐或可溶性锌盐的摩尔比为(1:0)-(7:1)。

所述可溶性铁盐为fecl3、fe(no3)3、fe2(so4)3、fecl2、fe(no3)2、feso4中的任意一种或几种。

所述可溶性钛盐为ticl4、ti(no3)4、ti(so4)2中的任意一种或几种。

所述可溶性锌盐为zncl2、zn(no3)2、znso4中的任意一种或几种。

所述fe基催化剂的制备方法包括如下步骤：

（1）按摩尔比分别称取可溶性铁盐与可溶性钛盐或可溶性锌盐，将其加水配成混合盐溶液，再加入1mol/l盐酸溶液调节其ph值<1；

（2）在搅拌条件下将2.5-25wt％的氨水溶液按3-8ml/min的速度滴加到步骤（1）所得混合盐溶液中，调节其ph值为9-13，滴加结束后继续搅拌1-5h，然后静置12-36h；

（3）将所得产物离心，洗涤至中性后，于70-130℃干燥6-18h，再按3-4℃/min的速率升温至500-700℃，焙烧处理3-5h，得到所述fe基催化剂。

本发明所得fe基催化剂可用于低浓度烃类的低温催化燃烧，包括油田伴生排放的烃类尾气。

本发明的显著优点在于：

（1）本发明通过共沉淀法可制备得到α-fe2o3、zn-α-fe2o3或ti-α-fe2o3催化剂，其所得催化剂在较宽的温度范围内均表现出较高的催化氧化活性。

（2）本发明首次将过渡金属铁基催化剂应用在烃类催化氧化领域，尤其是用于甲苯的催化氧化，其在甲苯催化氧化反应中具有很好的抗水性和稳定性，大大拓宽了过渡金属铁基催化剂的应用领域。

（3）本发明提供的催化剂的催化效果优于传统甲苯催化氧化催化剂，且其制备工艺简单，操作方便，成本低，甲苯转化率高，具有明显的工业应用价值。

附图说明

图1为实施例1-3所得催化剂的xrd图。

图2为实施例3所得ti-α-fe2o3在3%vol水存在下在500℃的甲苯转化率。

图3为实施例1-3及对比例所得催化剂在不同温度点的甲苯转化率。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

1）称取13.515g（0.05mol）fecl3·6h2o和6.951g（0.025mol）feso4·7h2o，溶于500ml去离子水中，用hcl溶液（1mol/l）调节ph值至<1，快速搅拌15分钟，形成混合溶液a；

2）量取10ml25wt％氨水，溶于100ml水中，快速搅拌15分钟，形成氨水溶液b；

3）在搅拌条件下，将氨水溶液b用蠕动泵以5ml/min的速度缓慢滴加至混合溶液a中，至溶液的ph为9-13左右，然后停止滴加，继续搅拌3h，然后静置36h；

4）将所得产物离心、洗涤至中性后，经70℃干燥18h，再置于马弗炉中，以3℃/min的速率升温至550℃，高温焙烧4h，即得α-fe2o3催化剂。

实施例2

1）称取13.515g（0.05mol）fecl3·6h2o和7.189g（0.045mol）znso4，溶于500ml去离子水中，用hcl溶液（1mol/l）调节ph值至<1，快速搅拌15分钟，形成混合溶液a；

2）量取10ml25wt％氨水，溶于100ml水中，快速搅拌15分钟，形成氨水溶液b；

3）在搅拌条件下，将氨水溶液b用蠕动泵以5ml/min的速度缓慢滴加至混合溶液a中，至溶液的ph为9-13左右，然后停止滴加，继续搅拌3h，然后静置36h；

4）将所得产物离心、洗涤至中性后，经70℃干燥18h，再置于马弗炉中，以3℃/min的速率升温至550℃，高温焙烧4h，即得zn-α-fe2o3催化剂。

实施例3

1）称取16.217g（0.06mol）fecl3·6h2o、47.263g（0.17mol）feso4·7h2o和16.800g（0.07mol）ti(so4)2，溶于500ml去离子水中，用hcl溶液（1mol/l）调节ph值至<1，快速搅拌15分钟，形成混合溶液a；

2）量取10ml25wt％氨水，溶于100ml水中，快速搅拌15分钟，形成氨水溶液b；

3）在搅拌条件下，将氨水溶液b用蠕动泵以5ml/min的速度缓慢滴加至混合溶液a中，至溶液的ph为9-13左右，然后停止滴加，继续搅拌3h，然后静置36h；

4）将所得产物离心、洗涤至中性后，经70℃干燥18h，再置于马弗炉中，以3℃/min的速率升温至550℃，高温焙烧4h，即得ti-α-fe2o3催化剂。

1.采用荷兰panalytical公司x'pertpro型x射线粉末衍射仪进行测定，其中，射线源为cu靶，测试精度为0.001º/step，入射波长为0.1790nm，管流为40ma，管压为40kv，扫描步长为0.02º，扫描速率为0.60sec/step，每步扫描时间为10s。图1为实施例1-3所得催化剂的xrd图。

由图中可以看出合成的为α-fe2o3；在ti加入后，赤铁矿峰型的尖锐度减弱，说明ti较均匀的分散在赤铁矿结构中；而在zn的加入后，出现了znfe2o4的特征峰。

2.采用实施例3的催化剂200mg，质量空速40000ml/(g·h)，在连续流动微型固定床上进行甲苯转化率测定，尾气中甲苯浓度变化通过气相色谱测定，反应气体组成为：1000ppm甲苯，其余为空气。反应过程中通入3%vol水。在500℃下测定ti-α-fe2o3催化剂对甲苯的转化效果，测试结果见图2。

由图2可知，ti-α-fe2o3在500℃条件下具有较好的热稳定性和抗水稳定性。

对比例

1）称取13.515g（0.05mol）fecl3·6h2o和6.951g（0.025mol）feso4·7h2o，溶于500ml去离子水中，用hcl溶液（1mol/l）调节ph值至<1，快速搅拌15分钟，形成混合溶液a；

2）量取10ml25wt％氨水，溶于100ml水中，快速搅拌15分钟，形成氨水溶液b；

3）在搅拌条件下，将氨水溶液b用蠕动泵以5ml/min的速度缓慢滴加至混合溶液a中，至溶液的ph为9-13左右，然后停止滴加，继续搅拌3h，然后静置36h；

4）将所得产物离心、洗涤至中性后，经70℃干燥18h，再置于马弗炉中，以3℃/min的速率升温至350℃，高温焙烧4h，得γ-fe2o3催化剂。

分别采用实施例1-3及对比例所得的催化剂各200mg，质量空速40000ml/(g·h)，在连续流动微型固定床上进行甲苯转化率测定，尾气中甲苯浓度变化通过气相色谱测定，反应气体组成为：1000ppm甲苯，其余为空气；原料气流速为130-140ml·min^-1；反应管内径为5mm。在180-390℃下测定催化剂对甲苯的转化效果，测试结果见图3。

由图3可知，与γ-fe2o3相比，实施例1-3所得催化剂呈现出更好的甲苯低温转化活性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。