本發(fā)明涉及一種化學(xué)催化劑，特別涉及一種用于消除一氧化碳和甲醛的催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
CO和甲醛是典型的可燃、有毒氣體，是最為常見氣態(tài)污染物之一。一氧化碳侵入機體，便會很快與血紅蛋白結(jié)合成碳氧血紅蛋白，從而阻礙氧與血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白。中毒者就會出現(xiàn)脈弱，呼吸變慢，最后衰竭致死。甲醛為較高毒性的物質(zhì)，在我國有毒化學(xué)品優(yōu)先控制名單上甲醛高居第二位。甲醛已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)，是公認(rèn)的變態(tài)反應(yīng)源，也是潛在的強致突變物之一。研究表明：甲醛具有強烈的致癌和促癌作用。大量文獻記載，甲醛對人體健康的影響主要表現(xiàn)在嗅覺異常、刺激、過敏、肺功能異常、肝功能異常和免疫功能異常等方面。其濃度在每立方米空氣中達(dá)到0.06-0.07mg/m3時，兒童就會發(fā)生輕微氣喘。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時，就有異味和不適感；達(dá)到0.5mg/m3時，可刺激眼睛，引起流淚；達(dá)到0.6mg/m3，可引起咽喉不適或疼痛。濃度更高時，可引起惡心嘔吐，咳嗽胸悶，氣喘甚至肺水腫。長期接觸低劑量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，新裝修的房間甲醛含量較高，是眾多疾病的主要誘因。
通過催化氧化消除CO和甲醛是工業(yè)界常用的方法，由于低溫下消除CO和甲醛很多方面都具有很高的實用價值，因此研發(fā)低溫或室溫下消除CO和甲醛的催化劑一直受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。對于CO消除，主要用于空氣凈化、封閉式-循環(huán)CO2激光器、CO氣體傳感器、汽車尾氣的控制、CO防毒面具以及密閉系統(tǒng)內(nèi)的CO消除等方面。而甲醛消除，主要用于民用建筑工程室內(nèi)的空氣凈化。
一氧化碳和甲醛消除所用的催化劑主要有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑，貴金屬以其良好的CO、O2吸附和活化性能被認(rèn)為是催化CO和甲醛完全氧化的首選催化劑。催化劑在水汽和二氧化碳存在下結(jié)構(gòu)變化以及導(dǎo)致的催化性能影響方面的研究還缺乏系統(tǒng)性，對高性能抗水汽和二氧化碳的催化劑的開發(fā)帶來了困難。因此，研究在含有水汽的真實反應(yīng)條件下催化劑的結(jié)構(gòu)特性和反應(yīng)性能之間的關(guān)系尤其重要，可以為高效催化劑的設(shè)計提供很好的借鑒。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有一氧化碳和甲醛消除催化劑在含有水汽的實際反應(yīng)氣氛中活性低的問題，提供一種用于消除一氧化碳和甲醛的高性能催化劑及其制備方法。
為解決該技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
一種用于消除一氧化碳和甲醛的催化劑，其特征在于：該催化劑由Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物為載體，以Pt和Rh雙貴金屬為活性組分組成，Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體中，Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975、SnO2、Nb2O5、MoO3、CuO的質(zhì)量比為65：25：4：4：2。Pt和Rh雙貴金屬活性組分總質(zhì)量為Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO載體質(zhì)量的2％。
其中Pt的質(zhì)量為Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO載體質(zhì)量的0.5-1.5％；Rh的質(zhì)量為Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO載體質(zhì)量的1.5-0.5％。
該催化劑的制備方法為：采用溶膠凝膠法制備Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975固溶體，然后將Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975、SnO2、Nb2O5、MoO3、CuO按照上述比例混合成Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體，以浸漬法按比例負(fù)載貴金屬Pt-Rh制備Pt-Rh/Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO催化劑。
具體包括如下步驟：
(1)將ZrO(NO3)2·2H2O、Ce(NO3)3·6H2O、Al(NO3)3·9H2O和檸檬酸按照摩爾比為0.75：0.2：0.05：0.75溶于去離子水，完全溶解后于90℃水浴攪拌至凝膠狀態(tài)，然后120℃干燥8h，最后600℃氮氣氣氛下焙燒4h，然后在300℃空氣氣氛下焙燒2h。得到Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975固溶體。
(2)將Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975、SnO2、Nb2O5、MoO3、CuO按照質(zhì)量比為65：25：4：4：2混合后研磨2h，得到Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物粉末載體。
(3)將Pt(NO3)2溶液和Rh(NO3)3溶液加入Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物粉末載體中，浸漬1h，接著90℃水浴炒干，120℃烘8h，最后在100℃下H2氣氛下還原2h，得到Pt-Rh/Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO催化劑。其中Pt和Rh的質(zhì)量含量為Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO載體的2％，其中Pt的質(zhì)量含量為0.5-1.5％；Rh的質(zhì)量含量為1.5-0.5％。
該催化劑，其由Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體和貴金屬Pt-Rh雙組份活性物種相結(jié)合，能夠大幅度地提高催化劑在水汽環(huán)境下的活性。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做出進一步的具體說明，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
實施例1
(1)按照ZrO(NO3)2·2H2O、Ce(NO3)3·6H2O、Al(NO3)3·9H2O和檸檬酸按照摩爾比為0.75：0.2：0.05：0.75，將20.0g ZrO(NO3)2·2H2O、6.5g Ce(NO3)3·6H2O、1.9g Al(NO3)3·9H2O和14.4g檸檬酸混合溶于去離子水于90℃水浴攪拌至凝膠狀態(tài)，然后120℃干燥8h，最后600℃氮氣氣氛下焙燒4h，然后在300℃空氣氣氛下焙燒2h，得到Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975固溶體粉末。
(2)將Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975、SnO2、Nb2O5、MoO3、CuO按照質(zhì)量比為65：25：4：4：2，將6.5g Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975、2.5g SnO2、0.4g Nb2O5、0.4g MoO3、0.2g CuO混合后研磨2h，得到Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物粉末載體。
(3)按照Pt和Rh在Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體中的質(zhì)量百分含量分別為1.5％和0.5％。將含有0.15g Pt的Pt(NO3)2溶液和0.05g Rh的Rh(NO3)3溶液混合后用去離子水稀釋到20ml，然后加入10g Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO2復(fù)合氧化物粉末載體中，浸漬1h，接著90℃水浴炒干，120℃烘8h，最后在100℃下H2氣氛下還原2h，得到Pt-Rh/Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO催化劑。
(4)催化劑活性測試條件，將已制備的催化劑壓片過篩，之后選擇100-120目的催化劑顆粒，用量為0.1g，裝入用于反應(yīng)的石英管(內(nèi)徑為6mm)中。對于CO氧化，反應(yīng)氣為1％CO+1％O2+10％H2O，其余為氮氣，其中空速為60000mL·g-1h-1，測定催化劑的CO反應(yīng)性能。對于甲醛氧化，反應(yīng)氣為0.1％甲醛+1％O2+10％H2O，其余為氮氣，其中空速為60000mL·g-1h-1，測定催化劑的CO反應(yīng)性能。催化劑性能以CO和甲醛轉(zhuǎn)化率達(dá)到98％的最低反應(yīng)溫度T98表示。催化劑的反應(yīng)性能見表1。
實施例2
(1)Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975固溶體粉末的制備方法與實施例1相同。
(2)Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物粉末載體的制備方法與實施例1相同。
(3)按照Pt和Rh在Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體中的質(zhì)量百分含量分別為1.2％和0.8％。將含有0.12g Pt的Pt(NO3)2溶液和0.08g Rh的Rh(NO3)3溶液混合后用去離子水稀釋到20ml，然后加入10g Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO2復(fù)合氧化物粉末載體中，浸漬1h，接著90℃水浴炒干，120℃烘8h，最后在100℃下H2氣氛下還原2h，得到Pt-Rh/Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO催化劑。
(4)催化劑活性測試條件的與實施例1相同。催化劑的反應(yīng)性能見表1。
實施例3
(1)Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975固溶體粉末的制備方法與實施例1相同。
(2)Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物粉末載體的制備方法與實施例1相同。
(3)按照Pt和Rh在Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體中的質(zhì)量百分含量分別為1.0％和1.0％。將含有0.10g Pt的Pt(NO3)2溶液和0.10g Rh的Rh(NO3)3溶液混合后用去離子水稀釋到20ml，然后加入10g Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO2復(fù)合氧化物粉末載體中，浸漬1h，接著90℃水浴炒干，120℃烘8h，最后在100℃下H2氣氛下還原2h，得到Pt-Rh/Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO催化劑。
(4)催化劑活性測試條件的與實施例1相同。催化劑的反應(yīng)性能見表1。
實施例4
1)Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975固溶體粉末的制備方法與實施例1相同。
(2)Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物粉末載體的制備方法與實施例1相同。
(3)按照Pt和Rh在Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO復(fù)合氧化物載體中的質(zhì)量百分含量分別為0.5％和1.5％。將含有0.05g Pt的Pt(NO3)2溶液和0.15gRh的Rh(NO3)3溶液混合后用去離子水稀釋到20ml，然后加入10g Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO2復(fù)合氧化物粉末載體中，浸漬1h，接著90℃水浴炒干，120℃烘8h，最后在100℃下H2氣氛下還原2h，得到Pt-Rh/Zr0.75Ce0.2Al0.05O1.975-SnO2-Nb2O5-MoO3-CuO催化劑。
(4)催化劑活性測試條件的與實施例1相同。催化劑的反應(yīng)性能見表1。
表1：實施例催化劑一氧化碳和甲醛消除的活性
由此可見，本發(fā)明的催化劑在水汽環(huán)境下對一氧化碳和甲醛催化消除有較好的效果，實施例2催化劑的催化消除一氧化碳和甲醛的效果最好。