[发明专利]一种ZSM-5封装的单原子层Pd催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种ZSM‑5封装的单原子层Pd催化剂及其制备方法和应用，解决现有技术中贵金属催化剂制备成本高、原子利用率低及高温反应稳定性差的技术问题，其制备方法为，将钯络合物加入分子筛凝胶中，经过一步晶化法将金属钯分散于ZSM‑5分子筛中，在高温炉中在氧气气氛下焙烧，使得金属钯在分子筛内部形成单原子分散，从而可暴露更多活性位点，减少贵金属用量，降低催化剂制备成本。分子筛封装可提高活性组分的稳定性，催化剂使用寿命长，应用于低浓度煤层气催化燃烧过程，可以提高活化甲烷的能力，降低反应的起燃温度。

技术领域

本发明涉及天然气化工及煤化工技术领域，具体涉及一种ZSM-5分子筛封装单原子Pd催化剂，以及其制备方法和在低浓度煤层气催化燃烧反应中的应用。

背景技术

近年来，能源短缺和环境污染问题日益受到人们关注。因此，寻找高效洁净的低碳能源，降低污染物排放，成为全球的热点问题。煤层气是与煤炭伴生的非常规天然气，具有热值高、燃烧洁净等优点。与煤炭、石油等其他化石能源相比，是一种标准的能量密度高、污染物排放少的低碳资源。

按照甲烷含量来区分，有甲烷含量比较高的开采煤层气（甲烷含量达到 90%，体积分数，下同）；甲烷浓度较低的抽放气（甲烷含量20~40%）和甲烷含量仅为0.8%以下的矿井乏风。本专利中抽放气和矿井乏风气统称为低浓度煤层气。开采的高浓度煤层气，其中的杂质为H₂O和N₂，经过简单处理，就可以直接利用。低浓度煤层气由于甲烷含量低，利用价值不高，多采用催化燃烧的办法将其用于发电等，既可以利用高热值的甲烷，又可以降低环境污染、减少温室气体排放。

由于低浓度煤层气中甲烷浓度较低，为了实现甲烷完全转化，通常需要的反应温度较高。高温会导致混合气中的N₂变为NO_x化合物，同时易引起催化剂烧结失活，因此降低催化剂对该反应的起燃温度非常关键。研究表明Pd、Pt、Au、Rh等贵金属催化剂及金属氧化物催化剂可以明显降低甲烷完全氧化反应的起燃温度和完全转化温度。中国专利CN103131488A专利使用Al₂O₃作为载体，贵金属（Pd、Pt、Ru、Ir、Rh）作为活性组分，采用过渡金属（Mg、La、Fe、Mn、Ni、Co等）氧化物进行改性提高催化剂的稳定性，但是该方法制备的催化剂贵金属含量较高，因而催化剂的成本较高，不利于工业化推广应用。

发明内容

本发明为了解决现有技术中常规钯基催化剂制备成本高、热稳定性差的技术问题，提供了一种尤其适用于低浓度煤层气催化燃烧反应的ZSM-5封装的单原子层Pd催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案具体如下：

一种ZSM-5封装的单原子层Pd催化剂，首先制备Pd的金属络合物，然后采用一步晶化法将含Pd络合物引入ZSM-5分子筛中，在高温炉中于氧气气氛下焙烧，然后在惰性气氛中冷却至室温，得到ZSM-5封装的单原子层Pd催化剂。

在上述技术方案中，所述催化剂中硅、铝和钯的摩尔比为10: （0.5 ~1）：（0.03~0.06）。

一种上述ZSM-5封装的单原子层Pd催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将钯源溶解于10mL去离子水中，加入络合剂，室温下磁力搅拌1h，加入50mL乙醇，获得钯基络合物溶液。

步骤2、将硅源、铝源及模板剂溶解到50~150mL去离子水中，加入氢氧化钠调节pH至10~14，以100~600rpm转速，在20~80℃下，磁力搅拌20~60 min，获得凝胶。

步骤3、将钯基络合物溶液以0~0.05mL/s缓慢滴加到步骤2中的凝胶中，以100~600rpm转速，在50~100℃下，磁力搅拌2~6 h。