[发明专利]用于甲烷催化燃烧的金属整体式催化剂及制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种用于甲烷催化燃烧的金属整体式催化剂及制备方法，属于催化氧化和涂层制备技术领域。

背景技术

随着社会的发展，煤和石油的需求量与日俱增，同时也带来了严重的能源危机问题。为了解决这些危机，人们将目光投向储量丰富且清洁的能源—天然气。天然气作为发电、化工、工业和民用燃料受到了很大重视。虽然天然气（主要成分为甲烷）是一种优质洁净燃料，但是传统甲烷火焰燃烧的火焰绝热温度超过2000℃，此温度下空气中的N₂和O₂会发生反应，导致大量NOx生成；同时燃烧设备也不能长时间承受如此高温。而与传统的火焰燃烧相比，催化燃烧可以在保证燃烧效率的情况下，降低燃烧温度，降低环境污染，其核心为催化燃烧催化剂。

催化燃烧催化剂体系大体可分为整体式催化剂与粒状催化剂，其中整体式催化剂结构规则，具有高的几何表面积，在传热、传质、压降性能上都有着很大优势，并且更易于工业放大。整体式催化剂一般由载体、过渡层和活性组分组成，其中金属载体特别是耐高温的FeCrAl合金载体因其具有热传导系数高，床层压降低，起燃速度快等优点被广泛应用于催化燃烧。高比表面γ-Al₂O₃具有较好的耐高温和耐化学腐蚀性能，并且易于制备，可通过浸涂法涂覆在载体表面，是目前最常用的过渡层材料。而具有高比表面和抗高温烧结能力的六铝酸盐是目前公认的具有应用前景的甲烷催化燃烧催化剂的活性组分。六铝酸盐是具有较大纵横比的六方层状结构，晶体生长的各向异性使得其在高温下能够保持高的比表面积和热稳定性。其结构简式AAl₁₂O₁₉中的A位离子可以由碱金属、碱土金属或者稀土金属离子构成，Al可以部分被过渡金属离子（如Cr³⁺、Mn³⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等）同晶取代，从而使其具有高温催化活性。李顺清等用共沉淀法制备了La，Ba引入镜面，不同金属取代的六铝酸盐催化剂 Ba_0.8La_0.2MAl₁₁O₁₉（M = Mn, Fe, Co, Cu），表明金属取代Al³⁺后均得到较大的比表面积，并且有效提高了甲烷催化燃烧活性，其中Mn掺杂样品的活性最佳。

在高温高空速等恶劣的工作环境下，金属载体与过渡层及活性层的结合力较差，涂层剥落。因而，在保障甲烷催化燃烧活性的同时，提高涂层与FeCrAl合金载体的粘附稳定性成为研究的重点。因此，开发性能优良且粘附性能好的整体式甲烷催化燃烧催化剂成为这一技术发展的关键。

目前，对高粘附整体式甲烷催化燃烧催化剂的研究较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于甲烷催化燃烧的金属整体式催化剂及制备方法，该催化剂具有良好的甲烷催化燃烧活性和高的粘附稳定性。其制备过程简单。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种用于甲烷催化燃烧的金属整体式催化剂，所述的催化燃烧反应是在300~800℃下进行的，其特征在于：该催化剂以铁基合金材料为载体，载体之上为Al₂O₃-LaMnAl₁₁O₁₉复合过渡层，复合过渡层之上为活性LaMnAl₁₁O₁₉六铝酸盐层，其中复合过渡层是由质量分数为40%~95%的Al₂O₃和质量分数为5%~60%的LaMnAl₁₁O₁₉组成，其厚度为1~8 μm，其质量占铁基合金材料质量的0.5~3%；活性LaMnAl₁₁O₁₉层的厚度为2~10μm，其质量占铁基合金材料质量的1.5~10%。

上述的用于甲烷催化燃烧反应的金属整体式催化剂的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）铁基合金材料预处理