[发明专利]镧系氧化物减少催化剂烧结的用途

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月11日提交的美国临时申请61/845,138号的优先权，其内容通过引用并入本申请。

发明背景

A.技术领域

本发明一般涉及镧系氧化物减少负载型催化剂在使用期间的烧结的用途。

B.背景技术

在化学工业中通常使用催化剂以改变给定化学反应的速率，它们可以使所期望的化学反应更有利或更容易发生。另外，能够通过增加催化剂的表面积来提高其效率，增加催化剂的表面积在化学反应过程中提供了更多反应位点。

但值得注意的是，催化剂例如在合成气制备或甲烷重整反应中，通常经受高温(例如大于700℃或800℃)。这些温度会导致使用的催化材料聚集或烧结。这会导致反应期间表面积的减少，因而降低反应期间催化剂的有效性以至催化剂完全失效/催化剂失活。

虽然已经做出了一些减少高温时烧结的尝试，但是更有效的解决方案之一是简单地在反应过程起始时增加所使用的催化剂的量，或者在反应期间连续地再供应催化剂。这会增加与化学反应过程相关的成本并且使反应步骤复杂化。

发明内容

已经发现烧结问题的一个解决方案。该解决方案在于使用镧系氧化物以减少催化剂的烧结。举例而言，可以使用镧系氧化物涂覆催化剂的表面的一部分，这使得在高温下使用催化剂时减少烧结。在一个具体方面，已发现镧系氧化物与催化材料一定的重量比在减少催化剂在使用期间的烧结中效果良好。

在一个具体方面，公开了镧系氧化物涂覆的催化剂，其包含：负载型催化剂和镧系氧化物，所述负载型催化剂包含载体材料和催化材料，其中，镧系氧化物附着至负载型催化剂的表面的至少一部分。在一些方面，存在的镧系氧化物的量是在高温(例如大于700℃或800℃，或者大于700℃至1100℃、或800℃至1100℃的温度)下使用该催化剂期间、例如在合成气制备或甲烷重整反应期间在减少或防止催化材料和/或载体材料的烧结方面有效的量。在一些方面，用于减少烧结的镧系氧化物的有效量可以是基于催化剂的总重量的2重量％、4重量％、6重量％、8重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％或30重量％的镧系氧化物。在其他方面，用于减少烧结的镧系氧化物的有效量可以是镧系氧化物与催化材料(例如催化金属)的选定的重量比，例如至少5：1、或者5：1至10：1、或者6：1至8：1的比例。另外，用于减少烧结的镧系氧化物的有效量可以是镧系氧化物与负载型催化剂的选定的重量比，例如5：100至20：100、或者10：100至15：100的比例。在一些方面，催化材料可以是催化金属。催化金属可以是Pt、Pd、Au、Ag、Ni、Co、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Rh、Ru或Ir，或其任意组合。在更具体的实施方案中，催化金属可以是Ni、Pt、Rh、Au、Ag或Ru，或其任意组合。在另一些方面，催化材料可以是贵金属和贱金属的组合。这样的非限制性组合可以包括PtX、PdX、AuX、AgX、RhX、RuX或IrX，其中X＝Ni、Co、Fe、Mn、Cu、Zn或Mo。可以使用的镧系氧化物包括但不限于CeO₂、Pr₂O₃、Eu₂O₃、Nd₂O₃、Gd₂O₃或La₂O₃，或其任意组合。在具体的例子中，镧系氧化物是CeO₂。载体材料可以是基于金属氧化物、碱土金属/金属氧化物复合物、黏土矿物、钙钛矿或沸石的载体。金属氧化物可以是二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛或氧化铈。在一些方面，镧系氧化物涂覆的催化剂可以包含0.1重量％至20重量％的催化金属、和/或1重量％至50重量％的镧系氧化物、和/或99重量％至50重量％的载体材料。镧系氧化物涂覆的催化剂可以是颗粒形式，例如具有5μm至1000μm的粒度。在其他方面，镧系氧化物涂覆的催化剂可以是非粉末形式，或具有预制的几何结构。预制的几何结构可以是丸粒、泡沫、蜂巢或者整料。镧系氧化物可以分散在负载型催化剂的表面上。在具体的例子中，镧系氧化物涂覆的催化剂能够在经受大于700℃至1100℃，或者725℃、750℃、775℃或800℃至900℃、1000℃或1100℃，或者800℃至1000℃，或者800℃至1100℃的温度时减少催化金属的烧结。镧系氧化物涂覆的催化剂还能够催化由烃气体如甲烷制备包含氢和一氧化碳的气态混合物。在具体的例子中，镧系氧化物涂覆的催化剂可以具有10重量％CeO₂/2重量％Pt/Al₂O₃、8重量％CeO₂/2重量％Pt/Al₂O₃、5重量％CeO₂/2重量％Pt/Al₂O₃、或者2重量％CeO₂/2重量％Pt/Al₂O₃的结构。在其他例子中，镧系氧化物涂覆的催化剂可以具有10重量％CeO₂/2重量％Pt/MgAl₂O₄、8重量％CeO₂/2重量％Pt/MgAl₂O₄、5重量％CeO₂/2重量％Pt/MgAl₂O₄、或者2重量％CeO₂/2重量％Pt/MgAl₂O₄的结构。在另一些例子中，镧系氧化物涂覆的催化剂可以具有10重量％CeO₂/2重量％Pt/高岭石、8重量％CeO₂/2重量％Pt/高岭石、5重量％CeO₂/2重量％Pt/高岭石、或者2重量％CeO₂/2重量％Pt/高岭石的结构。