[發明專利]一種用于N2O直接分解的Fe/ZSM-5催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 200710178779.6
• 申請日: 2007-12-05
• 公開（公告）號: CN101450322A
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發明（設計）人: 李燦;夏海岸;孫科強;馮兆池;應品良
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J29/42
• 分類號: B01J29/42;B01D53/56
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明涉及一種用于N₂O直接分解的Fe/ZSM-5催化劑的制備方法。

本發明的特點是改變以往通過液相離子交換方法制備催化劑，而采用固態離子交換的方法來制備，從而能避免鐵鹽前驅體的水解和沉淀，減少惰性的氧化鐵的生成。另外通過選擇FeCl₃這種容易升華的前驅體，可以使活性相的分布更加均勻。通過添加Ga、B、P和高溫焙燒的方法來可以增加N₂O分解的活性位，從而提高了其催化活性。

背景技術

氧化亞氮(N₂O)，俗名笑氣，作為一種應用于醫療中的溫和的麻醉劑，這種略帶甜味的無色氣體長期被忽視。然而，自上個世紀90年代以來，人們逐漸認識到N₂O對于大氣層的污染和破壞作用。N₂O的溫室效應能力分別是甲烷和CO₂的300和20倍以上，大氣中的N₂O還可通過轉化成NO_x而破壞臭氧層。1997年所簽署的京都議定書中所明確限定了N₂O與其它5種主要溫室效應氣體(CH₄、CO₂、HFCs、PFCs以及SF₆)的排放。簽署京都議定書的國家承諾在2008到2012年之間將這六種溫室氣體至少減排5％。人類生產活動產生的N₂O主要來源于己二酸、硝酸的生產以及化石燃料的燃燒(如火力發電)。另外，機動車尾氣凈化器可使尾氣中的NO_x轉化成N₂O，這種N₂O排放源所占的比重也在逐年增加。隨著中國經濟的發展，污染問題越來越受到人們的關注。預計在不久的將來，N₂O的限制排放將必然實施。

己二酸生產過程的尾氣中N₂O的濃度高達25-40vol.％，N₂O分解所釋放的熱量可使催化劑床層溫度升至900K以上。目前已開發有多種催化技術手段。控制這個工藝中N₂O排放相對容易。然而，如何控制硝酸的生產以及化石燃料的燃燒過程中的N₂O排放卻是一個難題。在上述兩種來源中，尾氣中N₂O濃度小于0.5vol.％，并且存在較高濃度的H₂O、NO、O₂、SO₂。負載型過渡金屬(Cu、Co、Ni)和貴金屬(Rh、Pd、Ru)催化劑雖然對He-N₂O混合氣中N₂O分解具有很高的活性，然而反應原料氣中存在少量H₂O、NO、O₂或SO₂會使上述催化劑迅速失活或顯著抑制其活性。

Fe/ZSM-5催化劑對N₂O分解(烴類的選擇催化還原(SCR)和直接催化分解)表現出獨特而優異的性能。Fe/ZSM-5上N₂O的烴類選擇催化還原反應在水汽和SO₂存在下可保持較高的穩定性，這與其它金屬/分子篩催化劑(如Cu/ZSM-5)形成鮮明對比。近期的研究進一步表明，在某些Fe/ZSM-5催化劑上，N₂O的直接催化分解甚至在較高濃度的H₂O、NO、O₂、SO₂的存在下，還具有優異的穩定性和活性。這些發現為消除硝酸生產尾氣中稀N₂O的排放提供了極具希望的解決方案。

綜上所述，Fe/ZSM-5催化劑在N₂O直接分解反應中表現出很好的工藝前景。因此，如何合成出高活性、高穩定性的催化劑是關鍵之一。一般文獻和專利采用的方法是主要通過水熱合成、液相離子交換和化學氣相沉積(CVD)(US?patent：6143681)的方法。水熱合成的方法主要的缺點是引入骨架位的鐵的含量有限，很難合成具有高鐵含量的催化劑。液相離子交換方法的缺點在于鐵物種在水溶液中容易沉淀，從而容易形成惰性的氧化鐵顆粒；另外這種方法重現性比較差。而化學氣相沉積方法(CVD)的缺點是鐵物種的含量無法控制，容易生成大量的氧化鐵納米粒子。中國專利(CN?158296A)雖然也采用了固相交換的方法，但是有催化劑的分散不均勻和容易形成大塊的氧化鐵的缺點。

發明內容