甲烷催化燃烧非贵金属氧化物催化剂的研究进展

甲烷催化燃烧非贵金属氧化物催化剂的研究进展

史婷婷;钱胜涛;孔渝华

【摘要】催化燃烧具有起燃温度低、能量利用率高、有毒物质排放少等优点。催化剂是催化燃烧的关键，非贵金属氧化物催化剂因来源广、价格低、稳定性较好成为研究热点。综述了单组分、双组分或多组分、钙钛矿型、六铝酸盐型、尖晶石型等几类非贵金属氧化物催化剂的研究进展。%The technology of catalytic combustion has many advantages of low light-off temperature,high energy utilization rate and less emission of toxic substances.Catalyst is the key of catalytic combustion.Non-no-ble metal oxides catalysts are becoming a research hot spot due to its rich source,low cost and good stability. Several kinds of non-noble metal oxides catalysts including single-component,two-component or multi-compo-

nent,perovskite,hexaaluminate and spinel were summarized in this paper.【期刊名称】《化学与生物工程》

【年(卷),期】2015(000)008

【总页数】4页(P11-13,18)

【关键词】催化燃烧;甲烷;非贵金属氧化物;催化剂

【作者】史婷婷;钱胜涛;孔渝华

【作者单位】江汉大学湖北省化学研究院，湖北武汉 430074;江汉大学湖北省化学研究院，湖北武汉 430074; 华烁科技股份有限公司，湖北武汉 430074;江汉大

学湖北省化学研究院，湖北武汉 430074; 华烁科技股份有限公司，湖北武汉430074

【正文语种】中文

【中图分类】TQ426;O643.36

随着工业化进程的加快，环境污染问题越来越严重

[1-2]。各国纷纷采取相应措施及制定相关法律提高废气排放标准，减轻有机废气带来的危害。我国在20世纪末规定了33种大气污染物排放限值，其中16种是有机化合物，包括工业生产中产生的可燃性气体，如脂肪烃、芳香烃、卤代烃、含氧烃类衍生物等。

甲烷是分子式最简单且结构较稳定的有机物之一，空气中的甲烷含量达到一定值后，就会变成易燃易爆气体，并且在高含量时危害人体健康，引起头痛、头晕、乏力等；同时，甲烷也是一种温室气体，以单位分子数而言，甲烷的温室效应比CO

2高25倍以上，所以甲烷的排放量必须符合国家标准。甲烷通常很难活

化或氧化，传统的甲烷火焰燃烧温度需达1 600 ℃左右，在此高温下空气中的N 2会转化为NO

x而造成二次污染，并且能量利用率低，操作安全性低。鉴于此，人们采

用催化燃烧技术处理甲烷，即在较低温度下，通过催化剂的催化作用使甲烷完全氧化，该法具有起燃温度低、能耗小、无二次污染、处理效率高、适于低浓度操作等优点，是目前治理甲烷最有效、最有应用前景的方法之一

[3-4]。在催化燃烧技术中，催化剂直接决定催化燃烧效果的好坏，因此制备催化活性高、耐热稳定性好的催化剂一直是国内外研究的热点。非贵金属氧化物催化剂因来源广、价格低、稳定性较好等受到研究者的广泛关注，但该催化剂也存

在低温催化活性较差等问题。

作者在此对几类非贵金属氧化物催化剂的研究进展进行综述，以期为催化燃烧处理甲烷提供帮助。

用于催化燃烧的过渡金属氧化物主要以Cu、Mn、Co、Cr、Ni、Fe等的氧化物为主，但其自身低温催化活性、热稳定性等仍有待提高，文献中大多通过添加助剂，尤其是稀土元素来提高活性组分的分散度进而改善催化剂的催化活性。

Yin等

[5]在考察Ce的添加对CuO/Al

2O

3催化燃烧活性的影响时发现，催化剂中形成的Ce-Cu固溶体提高了活性组分Cu在载体表面的分散度，同时改变了各自的氧化还原性能，提高了催化活性。刘长春等

[6]研究了Ce

1-xMn

xO

2-a催化剂对甲烷的催化燃烧活性，结果发现，

x在一定范围时，Mn进入CeO

2晶格形成固溶体，改善了催化剂的氧化还原能力，当

x=0.7时，催化活性最高。王翔等

[7]发现稀土La、Ce和Y对MnO

2/Al

2O

3催化活性有不同程度的影响，尤其是Y的添加最能有效阻止活性组分在

高温条件下的烧结，使其在高温下也表现出较高的催化活性。李丽娜等

[8]添加Zr、Y及V中的一种或几种助剂对载体Al

2O

3进行改性，考察了Fe

2O

3/Al

2O

3催化剂的催化活性，结果发现，添加3种助剂的催化剂表现出最好的催化性能，ZrO

2和Y

2O

3的存在可以增大和稳定Fe

2O

3的表面浓度，同时也可减弱Fe

2O

3与V-Al

2O

3之间的相互作用。

双组分或多组分非贵金属氧化物催化剂的催化活性和稳定性比单组分非贵金属氧化物催化剂高。

林缨等

[9]研究Co-Mn负载型催化剂的催化活性时发现，Mn的加入使催化剂的低温活性得到明显改善，尤其是增强了低温条件下抵抗水蒸气造成催化活性下降的

能力。陈玉娟等

[10]发现Fe的添加可以提高CuO在载体氧化铝表面的分散度，并且指出合适的Cu、Fe负载量对催化剂的催化活性有很大的影响。张鑫等

[11]以堇青石为载体，考察了负载Fe、Co、Mn 3种活性组分的催化剂对甲烷的催化燃烧活性，发现该催化剂的低温活性与贵金属氧化物催化剂相似。

虽然对非贵金属氧化物进行改性，且对不同活性组分进行组合可以得到高活性和稳定性的催化剂，但要使催化剂满足工业生产大型化、整体化和节约化的发展要求，其低温活性及稳定性仍需提高。

钙钛矿型非贵金属氧化物因稳定的结构而具有很好的耐高温高压特性。钙钛矿型非贵金属氧化物结构与天然CaTiO

3类似，一般用通式ABO

3来表示，其中A多为稀土元素，尤其以La研究最多，而B多为过渡金属元素，一般为Co、Mn、Cu等。实验研究中，A和B常被其它结构相似的离子部分或完全取代，形成更多氧位点缺陷，以提高催化活性及稳定性。

钙钛矿型非贵金属氧化物按制备方法一般分为两大类：非负载型和负载型。由于非负载型比表面积小、成型困难等缺点，研究得较少。

目前，一般通过添加合适的助剂对单钙钛矿型非贵金属氧化物催化剂进行改性，提高其催化活性和稳定性。

蒋政等

[12]在考察不同A位离子对铁基钙钛矿型非贵金属氧化物催化剂的催化活性影响时发现，催化剂在高温与低温的催化活性明显不同，可能是因为A位离子的晶粒大小对活性组分Fe的价态及含量有一定的影响，其中CaFeO