[发明专利]一种整体式催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法和用途，具体说，是涉及一种整体式催化剂及其制备方法和用途，属于催化剂技术领域。

背景技术

近几年石油价格不断攀升，使世界各国认识到能源和化学工业原料不能仅以供应不稳定、资源有限的石油为基础，促使世界各国推行实施新的能源战略。天然气以其所具有的清洁、蕴藏量丰富、储量分布广泛和优于其他燃料的综合经济性等特点而备受青睐，被认为是未来的理想燃料和化学工业原料。天然气中甲烷含量一般在95％左右。甲烷在常温下不能被液化，这给存储和运输带来许多困难。因此，甲烷分子的活化和定向转化，始终是科学和技术上面临的巨大挑战。

甲烷制合成气是实现甲烷化工利用的重要和可行途径之一，目前发展了蒸汽重整、部分氧化、二氧化碳重整和自热重整等制合成气工艺，但上述工艺均存在较强的热效应(强吸热或强放热)问题，针对他们的热力学研究表明，其容易在低温下发生副反应积碳。事实上，由于传统的固定床反应管内有效传热系数普遍较低，即使管壁温度高达800℃，床层内仍存在冷点，积碳难以避免。早在上世纪八十年代，人们就认识到金属颗粒催化生成的须状积碳虽然不会影响反应物的转化率，但会造成严重的气堵，继而可能引发灾难性后果。因此，为了有效控制反应管内的温度，反应器多为列管式，并且直径被限制在80mm以下；另外，为了消除在固定床反应器中气体内扩散和外扩散的限制，需要采用粒径较小的催化剂颗粒和较大的气体流速。然而以上各种促进反应器内传热传质效果的措施均会造成床层两端产生更大的压降，带来能耗和安全方面的问题，对生产极为不利。

整体式催化剂由于它具有几何比表面积大、传递性能好、床层压降低等优点，在环境催化及污染控制领域已有应用。利用这种优良的传递性能，将整体式催化剂应用于化工领域中的强吸/放热反应的直接耦合，可以大幅度提高能量的利用率，实现流程集成化，达到过程强化的目的，因而在国内外引起了研究者的高度重视。另一方面，在强放热的甲烷催化燃烧体系中，传统的贵金属催化剂等存在价格昂贵，高温稳定性差的缺点，因而寻找一种具有高活性、高稳定性、优良导热性、使用方便、制备简单等优点的整体式催化材料是一个富有挑战性和实际应用价值的研究课题。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明的目的是提供一种具有高活性、高稳定性、优良导热性、使用方便、制备简单等优点的整体式催化剂及其制备方法和用途，为有效解决化工领域中的强吸/放热反应，尤其是甲烷制合成气反应中的热效应难题提供一种新途径。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种整体式催化剂，是由金属微纤与催化剂颗粒组成，所述催化剂颗粒被均匀地束缚在由金属微纤烧结形成的三维网状结构内；且所述催化剂颗粒具有金属相、铝酸铈相和氧化铝相，其结构通式如下：xM·yCeAlO₃·(100-x-y)Al₂O₃，通式中的M表示金属，x表示金属相所占的质量百分数，y表示铝酸铈相所占的质量百分数。

作为进一步优选方案，所述的整体式催化剂中，含金属微纤的质量百分比为33～99％，含催化剂颗粒的质量百分比为1～67％。

作为更进一步优选方案，所述的整体式催化剂中，金属微纤所占的体积百分比为1～5％，催化剂颗粒所占的体积百分比为1～35％，余下为孔隙率。

作为更进一步优选方案，所述的金属微纤为铜微纤、镍微纤或不锈钢微纤。

作为更进一步优选方案，所述金属微纤的直径为2～50μm、长度为2～5mm。

作为更进一步优选方案，所述催化剂颗粒中的M为金属Co、Ni、Pd、Pt、Rh中的任意一种或二种的组合。

作为更进一步优选方案，所述催化剂颗粒的结构通式中的0.1≤x≤15，0.1≤y≤30。

作为更进一步优选方案，所述催化剂颗粒的粒径为20～250μm。

一种所述整体式催化剂的制备方法，包括如下步骤：

a)将金属微纤和纸纤维加入水中搅拌成均匀分散的纤维浆；

b)制备催化剂颗粒xM·yCeAlO₃·(100-x-y)Al₂O₃

①在室温下将Al₂O₃以等体积浸渍法浸渍于铈盐水溶液中，经干燥后在空气氛中于400～600℃下焙烧，得到改性载体；

②在室温下将步骤①制得的改性载体以等体积浸渍法浸渍于金属M盐水溶液中，经干燥后在空气氛中于400～700℃下焙烧，得到催化剂前驱体；