一種y型-鐵酸鹽催化劑氧化亞氮分解過程中的應用的製作方法
2024-01-18 20:58:15 1
專利名稱：一種y型-鐵酸鹽催化劑氧化亞氮分解過程中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波條件下的氧化亞氮分解催化劑，具體地說是一種Y型-鐵酸鹽催化劑。
背景技術：
氧化亞氮(N2O)是一種重要的溫室氣體，其在大氣中的含量為319 ppbv，在溫室氣體中排在第三位，僅次於(X)2和CH4,但是從溫室效應來看，它的溫室效應分別是(X)2和CH4 的310倍和21倍，如果以目前的年增速度(0. 18 - 0. 26 %)增加，50年之後，N2O的溫室效應就會等於(X)2的溫室效應。此外，N2O是平流層中NOx的主要來源，可發生自由基反應破壞臭氧層，而臭氧層有很強的吸收太陽光中紫外線的能力，能夠阻止紫外線對人類的照射， 保護人類的安全。最近十餘年，隨著人們環保意識的不斷增強，越來越多的學者開始尋求有效控制隊0向大氣排放的方法。其中，在較高溫度下直接分解來自氨轉換爐等的廢氣N2O 就是一條比較經濟、有效的消除方法，該法對催化劑的活性、壽命、高溫熱穩定性等提出了較高的要求。近年來，N2O作為新型綠色推進劑在航天領域受到了高度重視。隊0是一種獨特優越的推進劑首先，隊0具有較高的貯存密度(745 kg/m3)，能夠以氣體或液體形式長期貯存；其次，具有很高的飽和蒸氣壓(52 atm,20 °C)，液態或氣態隊0可以依靠自身的蒸氣壓排出貯存系統，實現自增壓，不需要增壓設備而使推進系統大大簡化；再次，無毒，並且與通用結構材料相容性好，便於系統設計和研製。更為重要的是，N2O可實現多種模式推進依靠自身蒸氣壓將隊0氣體直接噴出而產生推力的冷氣推進(可用於姿態控制)A2O經催化分解產生高溫混合氣體(63.7 % N2 + 36.3 % O2)的單組元推進(用於軌道保持)；以N2O 催化分解產生的高溫富氧燃氣為氧化劑，與燃料二次點火燃燒的雙組元推進(用於變軌)。 N2O這種獨特的自增壓式多模推進兼具冷氣、單組元和雙組元的比衝特徵，推力範圍寬，簡單靈活，是目前其它推進劑技術所無法比擬的。N2O分解是實現N2O消除和N2O推進的前提和基礎。N2O分解反應方程式為 N2O (g) - N2 (g) + O2 (g)(」H。K = - 82.5 kj/mol)
反應放熱強烈，純N2O絕熱分解溫度高達1640 °C;熱分解反應活化能很高，600 °C以下幾乎檢測不到隊0分解。採用催化劑技術，可以改變反應路徑、使隊0在較低的溫度下分解、 提高反應速度。因此，隊0催化分解是隊0推進的基礎和關鍵技術之一，直接決定這種新概念航天推進技術的工程可行性。總之，無論是在環保領域還是作為航天推進劑使用，良好的低溫活性對隊0分解催化劑的基本要求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種Y型-鐵酸鹽催化劑及其製備和應用；可以在微波條件下引發和實施氧化亞氮分解過程。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下
一種Y型-鐵酸鹽催化劑氧化亞氮分解過程中的應用，所述催化劑分子式為Ba2M2 Fe12_xAlx022, X=O-Il ；其可在微波加熱或微波等離子體條件下使氧化亞氮完全分解，M為Mg、 Co、Ni中的1種、2種或3種。在微波功率為10-900W條件下，在流動反應氣氛下進行氧化亞氮分解反應，可快速實現氧化亞氮完全分解。催化劑成本低廉，本發明可以在推進劑或氧化亞氮分解工作場合下使用。所述氧化亞氮分解催化劑的製備是通過溶膠凝膠的方法，首先，Ba(NO3)2, Mg(NO3)2. 6H20, Fe (NO3) 3· 9Η20和Al (NO3)3. 9H20在室溫下溶於蒸餾水中。然後，加入檸檬酸作為螯合劑，並用(NH4)2CO3維持pH值為6-10，得到均勻透明的溶液。在373 K- 393 K 條件下慢慢蒸發得到粘稠狀膠體。將凝膠在623-723 K下處理3-10小時，使得凝膠中的溶劑從孔內蒸發出來，從而得到固體。最後將此固體，以2-10 K/min的升溫速率從室溫升至 1223-1423 K，並在此溫度下焙燒4_12小時得到含鐵的Y型-鐵酸鹽催化劑。所述金屬組分的可溶性鹽為氯化物、硝酸鹽或醋酸鹽。在微波功率為10-900W條件下，在氧化亞氮濃度為10ppm-100%，氧化亞氮氣體流速為0. 01-50mL/min的條件下進行氧化亞氮分解反應，可實現氧化亞氮完全分解。本發明催化劑及反應過程可以在涉及到氧化亞氮分解的空間推進或硝酸場尾氣處理等工作場合下使用。本發明具有如下優點
1.成本低廉。本發明所採用的原料為價格低廉的過渡金屬硝酸鹽和磷酸鹽，沒有貴金屬活性組分，大大節約了成本。2.減少分解過程能耗。本發明採用微波加熱或微波等離子體進行分解反應，縮短了反應時間，降低了反應溫度，使能耗降低。
圖1為本發明實施例1-6製備催化劑的XRD圖。圖2為本發明實施例1-6催化劑於微波條件下的氧化亞氮分解反應結果比較圖。圖3為本發明實施例1製備的催化劑於微波加熱條件和普通加熱條件下的氧化亞氮分解反應結果比較圖。圖4為本發明實施例1及實施例7製備的催化劑於微波加熱條件下氧化亞氮分解反應結果比較圖。
具體實施例方式實施例1
催化劑的製備本發明所涉及的催化劑採用溶膠凝膠的方法製備，並對本發明的催化劑的製備作一般性描述。將1. 306g硝酸鋇、1. 28g硝酸鎂和12. Ig硝酸鐵溶於IOOmL蒸餾水中，然後加入 0.05摩爾檸檬酸作為螯合劑，並用(NH4)2CO3維持pH值為8，得到透明澄清的溶液。將此溶液在373 K-393 K條件下加熱，使液體緩慢揮發得到凝膠。接下來將凝膠在723 K下焙燒5小時，得到固體。最後將固體以5 K/min的升溫速率從室溫升至1223 K，繼續焙燒8小時得到Y型-鐵酸鹽(記為FA0)。實施例2
與實施例1相比較，不同的是鐵與鋁摩爾比值為5/1，其他物料用量和操作條件與實施例1相同，記為FAl。實施例3
與實施例1相比較，不同的是鐵與鋁摩爾比值為2/1，其他物料用量和操作條件與實施例1相同，記為FA2。實施例4
與實施例1相比較，不同的是鐵與鋁摩爾比值為1/1，其他物料用量和操作條件與實施例1相同，記為FA3。實施例5
與實施例1相比較，不同的是鐵與鋁摩爾比值為1/2，其他物料用量和操作條件與實施例1相同，記為FA4。實施例6
與實施例1相比較，不同的是鐵與鋁摩爾比值為1/5，其他物料用量和操作條件與實施例1相同，記為FA5。實施例7
與實施例1相比較，不同的是不含狗，全部為Al，其他物料用量和操作條件與實施例1 相同，製得六鋁酸鹽催化劑，記為Al。實施例8
催化劑的氧化亞氮分解實驗這裡以FAO催化劑為例，一般性描述本發明中的催化劑的氧化亞氮分解實驗。稱取0. 1 g實施例1所獲得的催化劑，首先通入Ar氣0. 5 h，然後切換為氧化亞氮與Ar的混合氣，氣體組成為30 % N2O + 70 % Ar，總流量為50 mL/min (STP)。啟動微波加熱裝置，並調整不同的微波功率來觀察N2O轉化效率。具體結果如圖2所示，該催化劑在20W - 100W範圍內具有較高的N2O轉化效率。實施例9
與實施例7相比較，採用不同催化劑FAl、FA2、FA3、FA4和FA5，其他反應條件相同。比較例1
本發明中所涉及到較佳催化劑Y型-鐵酸鹽，在微波加熱條件下與普通電爐加熱條件下相比較N2O轉化效率，實驗結果見圖3。反應條件同實施例8。 由於微波加熱具有選擇加熱的特點，在局部形成熱點，從而降低了反應床層溫度。比較例2
本發明所涉及的較佳催化劑Y型-鐵酸鹽與實施例7六鋁酸鹽催化劑在微波加熱條件下相比較N2O轉化效率，實驗結果見圖4。反應條件同實施例8。由於六鋁酸鹽中沒有吸波物質，所以沒有反應活性。
權利要求
1.一種含鐵Y型-鐵酸鹽催化劑在氧化亞氮分解過程中的應用，其特徵在於 所述催化劑分子式為Ba2M2 Fe12^xAlxO22, X=O-Il ；其可在微波加熱或微波等離子體條件下使氧化亞氮完全分解，M為Mg、Co、Ni中的1種、2種或3種。
2.按照權利要求1所述的應用，其特徵在於在微波功率為10-900W條件下，在氧化亞氮濃度為10ppm-100%，氧化亞氮氣體流速為0. 01-50mL/min的條件下，可實現氧化亞氮完全分解。
3.按照權利要求1所述的應用，其特徵在於Y型-鐵酸鹽催化劑的製備過程下以金屬組分的可溶性鹽為前體溶於水中，成溶液； 以檸檬酸作為螯合劑，並用(NH4)2CO3維持pH值為6-10，得到透明澄清的溶液；在373 K- 393 K條件下慢慢蒸發得到粘稠狀膠體；將凝膠在623-723 K下處理3_10 小時，使得凝膠中的溶劑從孔內蒸發出來，從而得到固體；最後將此固體以2-10 K/min的升溫速率從室溫升至1223-1423 K，並在此溫度下焙燒 4-12小時得到Y型-鐵酸鹽催化劑。
4.按照權利要求3所述的應用，其特徵在於所述金屬組分的可溶性鹽可為金屬的氯化物、硝酸鹽或醋酸鹽；且各金屬組分的比例為按照分子式所述的化學計量比。
5.按照權利要求3所述的應用，其特徵在於檸檬酸與金屬離子的摩爾比為 0.5/1-2/1。
全文摘要
本發明涉及一種Y型-鐵酸鹽催化劑氧化亞氮分解過程中的應用，可應用於微波加熱或微波等離子體條件下的氧化亞氮分解反應過程。在微波加熱或微波等離子體條件下，可以快速實現N2O完全分解。催化劑成本低廉，本發明可以在涉及到氧化亞氮分解的空間推進或硝酸場尾氣處理等工作場合下使用。
文檔編號B01J21/10GK102476049SQ201010562988
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者丁李寧, 巴卡圖蘭, 張濤, 王愛琴 申請人:中國科學院大連化學物理研究所