稀土催化剂研究进展

I稀土催化剂研究进展摘要稀土催化材料的研究和发展为La和Ce等高丰度轻稀土元素的高质、高效利用提供了有效的途径。稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征,作为催化剂的活性组分或载体使用时表现出独特的催化性能。本文介绍了稀土催化材料在石油化工，化石燃料催化燃烧、机动车尾气的催化净化，有毒有害废气的治理、固体氧化物燃料电池及移动制氢、稀土催化理论研究等方面的应用和研究现状，并就稀土催化材料研究中存在的问题和稀土催化材料的发展进行了思考和展望。关键词：稀土，催化，环境IITHERESEARCHPROGRESSOFRAREEARCHCATALYSTABSTRACTTheresearchanddevelopmentofrareearthcatalyticmaterialsforlightrareearthelementprovidesanefficientway.Rareearthelementsisnotfullofelectronic4ftracksandhavecharacteristicsoflanthanidecontraction.Theyshowsuniquecatalyticpropertieswhenusedasactivecomponentofcatalystorcarrier.Rareearthcatalyticmaterialsinpetrochemicalindustryhasbeenintroducedinthispaper,suchas:thefossilfuelcatalyticcombustion,motorvehicletailgaspurification,themanagementofthepoisonousandharmfulwastegas,solidoxidefuelcellandmobilehydrogenproduction,rareearthcatalystapplicationandresearchstatusoftheoreticalresearch,etc.Inthispaper,theproblemsofrareearthcatalyticmaterialsandrareearthscatalyticmaterialsforthedevelopmentofthinkingandoutlook.KEYWORDS:Rareearths,catalysis,environmentIII目录第一章引言...............................................................................................1第1.1节稀土元素简介...........................................................................1第1.2节稀土元素利用概况...................................................................1第二章稀土催化材料国内外发展概况..................................................2第2.1节石油化工催化剂.......................................................................2第2.2节天然气等化石燃料的催化燃烧...............................................2第2.3节机动车尾气的净化催化剂.......................................................3第2.4节有毒有害废气的催化净化.......................................................3第2.5节固体氧化物燃料电池...............................................................4第2.6节移动制氢催化剂.......................................................................4第三章稀土催化的理论研究..................................................................5第四章结论和展望..................................................................................5参考文献.....................................................................................................71第一章引言第1.1节稀土元素简介稀土元素由镧系元素（15个元素）和与其密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）组成，具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征，作为催化剂的活性组分或载体使用时表现出独特的催化性能。稀土元素具有特殊的光、电、磁和催化等特性，其应用领域已从冶金机械、石油化工、玻璃陶瓷、农业等传统领域拓展到磁性材料、储氢材料、发光材料、催化材料、高温超导材料等功能材料领域。从20世纪60年代中期开始，国内外对稀土化合物的催化性质进行了广泛的研究，稀土催化材料按其组成大致可分为：稀土氧化物，稀土复合氧化物，稀土-（贵）金属，稀土-分子筛等。研究表明，稀土在催化剂中的存在可以：（1）提高催化剂的储氧能力；（2）提高活性金属的分散度,改善活性金属颗粒界面的催化活性；（3）降低贵金属用量；（4）提高Al2O3等材料的热稳定性；（5）促进水气转化和蒸汽重整反应；（6）提高晶格氧的活动能力等，从而使催化剂的性能得到显著提高。第1.2节稀土元素利用概况我国是稀土大国，稀土的储量和产量均为世界第一，但我国的稀土消费量只占世界总量的约1/4，可见我国主要以稀土原料出口，是世界上最大的稀土原料供应国。同时我国还存在稀土利用的不平衡，随着我国稀土永磁、冶金、荧光粉等产量的增加，中重稀土和钕的消费量大幅增加，导致高丰度的元素铈、镧等大量积压。稀土催化材料是促进高丰度轻稀土元素镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）等大量应用，有效缓解并解决我国稀土消费失衡，并提升能源与环境技术，促进民生，改善人类生存环境的高科技材料。从2005年开始，全球稀土催化材料成为稀土应用需求最大的领域，其最大的应用市场是石油催化裂化催化剂和机动车尾气净化催化剂两大领域。2第二章稀土催化材料国内外发展概况第2.1节石油化工催化剂分子筛具有大比表面积、发达的孔道结构、酸性、择型性等，而被广泛应用于催化裂化、加氢裂化、异构化、芳构化、烷基化、脱蜡等过程，产生了巨大的经济和社会效益。从20世纪60年代初开始，以分子筛催化剂代替无定型硅铝催化剂作为裂化催化剂被誉为炼油工业的技术革命。稀土元素作为一个重要组分被引入到裂化催化剂后能显著提高催化剂的活性和稳定性，大幅度提高原料油裂化转化率，增加汽油和柴油的产率。同时，稀土-分子筛催化剂体系还具有原油处理量大、轻质油收率高、生焦率低、催化剂损耗低、选择性好等优点。在分子筛中引进稀土可以调节催化剂的酸性和孔径分布。根据RE3+的种类、交换量和引入方式的不同，可对分子筛的酸中心数目、强度分布等进行调节，从而调变催化剂的性能。如在USY中引入少量RE3+，可使催化剂对汽油的选择性升高[1]。在石油化工的实际应用过程中，往往面临高温、水热环境等苛刻的工况，特别是水热环境会引起分子筛结晶度下降、骨架铝的脱除等，最终导致分子筛结构塌陷而失活。经稀土离子（如La、Ce、Pr等）交换后形成的稀土-分子筛有利于骨架铝的保持，可有效提高分子筛结构的稳定性。第2.2节天然气等化石燃料的催化燃烧催化燃烧作为一种环境友好过程，越来越受到人们的关注。催化燃烧是在催化剂的作用下，使燃料与空气在催化剂表面进行非均相的完全氧化反应。与传统的火焰燃烧相比，催化燃烧具有：（1）起燃温度低，燃烧稳定；（2）可在较大的油/气比范围内实现稳定燃烧；（3）燃烧效率高；（4）污染物（NOx、不完全燃烧产物等）排放水平低；（5）噪音低等特点。催化燃烧技术的关键是高性能燃烧催化剂的开发。天然气催化燃烧用催化剂可分为：（1）负载型贵金属（Pt，Pd）催化剂；（2）负载型非贵金属催化剂（Ni，Co，Mn，Cu，Fe等）；（3）复合氧化物催化剂（其中主要有含稀土的钙钛矿型、尖晶石型、萤石型、六铝酸盐等氧化物等）。其中贵金属催化剂具有其他催化剂不可比拟的高活性[2]。3第2.3节机动车尾气的净化催化剂机动车采用的燃料不同（如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等），排放的尾气的组成有所不同。对于柴油车尾气的排放控制,除了要对CO和HC进行净化外，对颗粒物和NOx的净化是其难点[3,4]。对于压缩天然气（CNG）或液化石油（LPG）燃料车，虽然CO和HC的排放量比普通汽油车低许多，但不能解决氮氧化物的污染问题。对于稀燃汽油发动机的尾气治理，难点在富氧条件下的NO选择性还原。综合其难点和从发展的趋势来看，汽车尾气净化催化剂目前要解决的难点是：（1）在更宽A/F比的工作范围内，特别是富氧条件下，提高对氮氧化物还原的选择性。（2）降低起燃温度，减少冷启动时污染物的排放。为此开发了密偶催化剂（CCCs），HC化合物吸附催化剂等[5]。（3）提高催化剂的耐久性和高温稳定性。第2.4节有毒有害废气的催化净化除了机动车排放的尾气之外，由工业源排放的SOx，NOx和易挥发性有机化合物等有毒、有害气体也是大气的污染物，严重地影响了人们的身体健康和城乡经济的发展，同时由装饰材料等造成的室内空气污染也越来越引起人们的重视。经济高效的净化技术是解决此类问题的关键，其中催化净化技术是最有效的方法。烟气脱硫按脱硫剂的形态分为湿法和干法两大类。由于湿法烟气脱硫自身的限制，近年来干法烟气脱硫研究及开发得到迅速发展。稀土氧化物作为吸收剂或催化剂的干法脱硫的研究受到普遍关注[6]。稀土氧化物是非常有应用前景的吸收剂，如CeO2/Al2O用于同时脱除烟气中的SO2和NOx，脱氮脱硫效率都大于90%[7]。同时La2O3或CeO2所形成的钙钛矿型、萤石型的稀土复合氧化物在烟气催化还原脱硫方面也显示良好的应用前景，如La2O3在反应气氛中可生成La2O2S，可催化COS与SO2的反应，从而抑制毒性更大的COS的形成。在光催化净化方面，稀土的引入可以扩大二氧化钛的光吸收区，为二氧化钛空气净化在室内弱光和可见光条件下的有效应用开拓了更大空间[8]。同时，吸附材料和光催化剂复合的方法与技术，结合吸附净化与光催化净化的优势，有望在高效空气净化技术方面形成突破[9,10]。4第2.5节固体氧化物燃料电池燃料电池是按电化学方式直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，几乎不排放NOx和SOx，同时CO2排放量比常规发电厂减少40%以上。根据所用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC），磷酸盐燃料电池（PAFC），质子交换膜燃料电池（PEMFC），熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC），固体氧化物型燃料电池（SOFC）等。其中SOFC的操作温度高（800~1000℃），排出的余热可与燃气轮机、蒸汽轮机等联用，从而能量利用率在燃料电池中处于领先地位，已成为国际上继PEMFC后研究开发的重点。2003年美国能源部推出了“Future-gen”计划，投资10亿美元研究未来的能源工厂技术，以实现发电效率达到60%~70%，发电/供热综合效率达到70%~80%。同时固体氧化物型燃料电池（SOFC）不需要使用贵金属催化剂，并适合于多种燃料（如氢气、甲烷、碳氢化合物等）。Park[11