研生试剂-催化燃烧催化剂的研究进展 催化燃烧是典型的气-固相催化反应，在燃烧过程中借助催化剂降低反应的活化能，同时使可燃物分子富集在催化剂表面，以提高反应速率，使可燃物质在较低起燃温度200-300℃下进行无焰燃烧，使可燃物*氧化成CO2和H2O，并放出大量热。由于燃烧温度较低，大大抑制了空气中的N2在高温下同氧气反应生成NOx。而且由于催化剂有选择性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物的氧化过程，使其多数形成分子N2。 催化燃烧技术的核心是选择合适的催化剂。由于催化燃烧温度较高，燃烧反应过程生成大量水蒸汽，且存在少量杂质硫，因此催化燃烧技术对催化剂要求很高，需要催化剂具备低温活性好、高温稳定性高、比表面积大、活性组分高分散度、抗烧结和抗硫中毒能力。 目前，催化燃烧技术备受国内外研究者关注，取得了很多研究成果。近年来，催化剂的研究成果主要为改进催化剂制备条件，选择催化剂新型载体，引入助剂改善催化剂的反应活性、选择性以及研究催化反应机理等。催化燃烧催化剂主要有贵金属催化剂、非贵金属氧化物催化剂，如钙钛矿型催化剂、六铝酸盐类催化剂、尖晶石型复合氧化物催化剂及其它一些过渡金属复合氧化物催化剂。 1 贵金属催化剂 研究表明贵金属催化剂具备很高的催化活性，起燃温度较低，起燃温度与*燃烧温度之间的温度区间小、不挥发性和硫中毒以及对反应器材质等的要求比较低，成为研究和应用的一种催化剂，对其制备规律和反应机理都取得了较多的研究成果，是研究得比较成熟的催化剂。目前研究得较多的贵金属催化剂有Pd，Pt，Rh，Au等。但在实际使用中，贵金属催化剂容易出现耐热性差、易烧结等问题，可以通过以下方法改善催化剂的性能： （1）引入助剂提高催化剂的活性、稳定性和氧化还原性能。γ-Al2O3因其具备高比表面积和低成本的优势，通常用作贵金属的载体，但在高温下易向α- Al2O3发生相变，从而降低了催化剂的热稳定性。孙路石等利用La、Mn对氧化铝进行改性后，由于Mn可以进入催化剂形成均一晶相，提高了催化剂的活性，而La可以有效抑制γ- Al2O3向α- Al2O3的相变，从而提高了Pd催化剂的高热稳定性。岳宝华等考察了Ni的添加对Pd/Ce-Zr/ Al2O3催化剂的甲烷燃烧性能的影响，结果表明Ni的添加提高了催化剂的氧化还原性，并促进了高温下PdO的稳定存在，从而提高了催化剂的催化活性和耐热稳定性。Ce元素可以在Ce2+和Ce4+之间进行氧化还原循环，可以明显提高催化剂的储释氧能力，成为目前催化剂的研究热点。 （2）选择除氧化铝之外的其它载体，或者利用新型制备法制备催化剂。在负载型贵金属催化剂中，载体和活性组分的相互作用对催化剂的性能有较大影响，目前开发载体有SiO2、ZrO2、SnO2和TiO2等。ZrO2作为载体的催化剂活性较高，但不耐抗烧结，周忠良等制备了Pd /CexZr1-xO2/SiO2催化剂，因Zr和Si的协同作用，增大了活性组分在载体上的分散度，使得该催化剂具有较好的催化活性。 （3）将一种或多种贵金属联用制成双、多贵金属催化剂。Yamamoto和Uchida用沉淀法制备的5%Pd-5%Pt/Al2O3催化剂活性和稳定性都较5% Pt/Al2O3和5% Pd/Al2O3有明显提高。分析认为Pt的存在能抑制Pd/PdO的烧结，从而提高催化剂的稳定性。 2 非贵金属氧化物催化剂 虽然贵金属催化剂较其它催化剂性能*，但资源、价格昂贵，限制了其大规模的工业化应用。因此，寻找来源丰富、价格低廉、性能相当的非贵金属催化剂，以替代传统的贵金属催化剂用于催化燃烧过程已成为一个重要的研究方向，研究重点集中在钙钛矿型催化剂、六铝酸盐类催化剂和尖晶石型复合氧化物催化剂等。 2.1 钙钛矿型催化剂 钙钛矿型催化剂通式为ABO3，A通常是稀土金属离子，B通常是过渡金属离子，通过部分掺杂或取代A或B离子，可以改善催化剂的性能。钙钛矿型催化剂具备价格便宜、组成和性能易于调节、催化活性高、热稳定高和化学稳定性好等优点，日益成为研究的热点。许秀鑫等采用等体积浸渍法制备的La0.8Ce0.2Mn0.8/Co0.2O3/γ-Al2O3催化剂对低浓度的甲苯有良好的催化效果，当反应温度高于320℃时，甲苯的转化率接近100%，大幅降低了甲苯的起燃温度和*转化温度。 2.2 六铝酸盐型催化剂 六铝酸盐型催化剂通式为AAl12O19，A通常是碱金属、碱土金属或稀土金属。六铝酸盐的晶体结构分为磁铅石型和β-氧化铝型，由含有大阳离子的镜面层和Al-O尖晶石单元交替堆积而成，这种特殊的层状结构可以抑制晶粒沿c轴方向的生长，因此六铝酸盐材料表现出很高的热稳定性。六铝酸盐型催化剂具备热稳定性高、挥发性低、机械强度及抗热冲击性能良好等优势，是前景的甲烷高温燃烧催化体系。 2.3 尖晶石型复合氧化物催化剂 尖晶石型复合氧化物催化剂通式为AB2O4，具有较好的结构稳定性和机械强度，其晶格密度较大，水分子难以进入晶体内部，只能在表面与催化剂结合，因此水热稳定性高，在氮氧化合物催化分解、二甲苯燃烧和苯乙烯选择氧化等反应中均表现出良好的催化性能。杨玉霞等制备了具有尖晶石结构的CoFe2O4复合氧化物，因其中的Fe3+和Fe2+之间的氧化还原作用，使得该氧化物中生成氧缺位，从而对乙醇催化燃烧反应具有较好的活性和较高的二氧化碳选择性，有望高活性的乙醇催化全氧化催化剂。张志远等采用浸渍法，焙烧温度为600℃，CuCo-Ox负载量质量分数为5%，Cu/Co为1：2时，制备的催化剂主 要活性相为CuCo2O4尖晶石，催化燃烧甲苯的活性zui高。制备尖晶石催化剂可以采用溶胶-凝胶法，常桂英、徐金光分别采用溶胶-凝胶法制得的具有单一尖晶石相的MgCr2O4和MgAl2O4催化剂，在甲烷催化剂燃烧均具有良好的催化性能。 3 结语 催化燃烧技术的应用范围广泛，主要用于矿井乏风瓦斯的利用、有机废气的处理、石化污水废气的处理、汽车尾气的净化、食品级CO2的制备等，此外，催化燃烧技术也已成功应用于其它领域，例如钢铁厂中降低烧结煤耗的催化燃烧，煤助催化燃烧技术，水泥中的催化燃烧，*的催化燃烧等，但进一步的深入研究仍是非常必要。 在未来的社会发展中，催化燃烧技术具有举足轻重的地位，对节能降耗、合理利用资源和保护环境上都具有重要的推动作用。目前，我国催化燃烧技术研究已取得长足的进展，尤其在催化剂的研究方面。但无论是贵金属催化剂、六铝酸盐金属氧化物还是钙钛矿型金属氧化物催化剂，其催化活性、热稳定性均有待提高。另一方面，反应和热量利用耦合技术的研究也有待加强。催化燃烧主要应用于低浓度有机可燃物的处理，其经济性不强，但作为环保技术具有良好的前景，开发低温高活性、高温热稳定性、机械强度高、抗热冲击、抗中毒的廉价催化剂是催化研究的总体方向。 |
