[發明專利]一種催化劑及其制備和應用

無效

• 申請號: 200910012264.8
• 申請日: 2009-06-26
• 公開（公告）號: CN101927160A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 田鳴;王曉東;張濤;朱燕燕
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/34
• 分類號: B01J23/34;B01J23/78;B01J37/03;C06D5/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及一種用于航天推進級高濃度一氧化二氮分解的六鋁酸鹽催化劑及制備方法。應用該方法制備的催化劑能夠使一氧化二氮在450℃～600℃溫度條件下即可實現自發分解，并且能夠耐受一氧化二氮分解產生的高溫(1000℃～1400℃)富氧燃氣，對一氧化二氮的催化分解具有較高活性、高熱穩定性。

背景技術

近年來，新型綠色N₂O推進技術在航天領域受到了高度重視。主要原因是以N₂O推進能源的新型推進動力具有其自身獨特的性能。作為單組元推進劑，它可以以相對較高的密度貯存，并像液體那樣長時間地貯存在航天器上；其蒸氣壓高，不需要箭體增壓系統；無毒而且與通用結構材料有很好的相容性，這使得在進行系統設計和開發時不需要太大的花費；具有的化學分解放熱的特征使其在多次點火的冷氣、單組元、雙組元及電阻加熱式推力室上得到應用。

N₂O的分解產物為氮氣和氧氣混合物，反應方程式：

N₂O(g)→N₂(g)+1/2O₂+Heat

標準狀態下，N₂O分解產生的熱量約82.5kJ/mol，而其熱分解反應活化能為250kJ/mol，致使N₂O的非催化熱分解溫度高達520℃，實際應用時為達到所需要的推力(對應N₂O分解率)，氣態N₂O必須加熱到1000℃，顯然航天器的能源系統根本無法滿足。因此，必須采用催化分解之手段降低反應的活化能，使N₂O能在較低的溫度下實現自發分解。另一方面，N₂O的催化分解為強放熱反應，純N₂O絕熱分解溫度高達1640℃，高溫又對催化劑將產生強烈的燒結作用。因此，催化劑的低溫分解性能和高溫穩定性研究是航天推進級高濃度N₂O催化分解反應所面臨的首要基礎問題。

負載型貴金屬是對一氧化二氮具有很好的催化分解活性的一類催化劑。研究發現，Ir/Al₂O₃是其中活性最好的催化劑之一。但當反應溫度高于1000℃時，氧化鋁載體發生轉晶，催化劑比表面積明顯降低；1200℃～1400℃后，活性組分銥及氧化銥發生燒結并揮發，造成催化劑活性的顯著降低，無法繼續使用。本研究組前期曾報道了一種新型的貴金屬銥取代的六鋁酸鹽催化劑用于高濃度N₂O分解反應。然而，由于銥是稀有的貴金屬，價格昂貴，而且是高級戰略物資，國際市場供不應求，我國資源有極其匱乏，使得其在航天領域的應用受到極大限制。過渡金屬相對廉價，資源豐富。目前還沒有關于過渡金屬取代的六鋁酸鹽催化劑用于航天推進級高濃度N₂O分解反應的相關報道。因此，本發明將過渡金屬取代的六鋁酸鹽引入高濃度N₂O催化分解反應，以解決上述N₂O作為航天推進劑所面臨的問題。

發明內容

本發明涉及一種用于航天推進級高濃度一氧化二氮分解的六鋁酸鹽催化劑及制備和應用。應用該方法制備的催化劑能夠使一氧化二氮在450℃～600℃溫度條件下即可實現自發分解，并且能夠耐受一氧化二氮分解產生的高溫(1000℃～1400℃)富氧燃氣，對一氧化二氮的催化分解具有較高活性、高熱穩定性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

本發明的催化劑用于航天推進級高濃度一氧化二氮分解。該催化劑由載體和活性金屬兩部分構成。其中載體為六鋁酸鹽(AB_xAl_12-xO₁₉，AB_xAl_11-xO₁₇，其中A代表堿金屬、堿土金屬、鑭系金屬、稀土金屬中的一種或多種，B代表活性組分)。活性金屬為：錳、鐵、鈷、銅中的一種或多種元素的混合物，活性金屬質量百分含量為3％～20％。催化劑采用共沉淀法制備。

本發明中所述催化劑采用共沉淀法制備。將活性金屬的硝酸鹽及載體組分中所涉及金屬的硝酸鹽分別溶解于適量的50～80℃的水中，將除硝酸鋁溶液外其它溶液混合，調節pH＝1～3，將硝酸鋁溶液加入，混合均勻后，迅速加入定量的飽和的碳酸銨溶液中，于50～80℃快速攪拌4～6小時，過濾后干燥過夜。300～500℃焙燒2～5小時，1200～1400℃焙燒4～6小時。