一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂及其制备方法、应用与流程

本发明涉及一种氢同位素废气处理催化剂领域，具体是一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂及其制备方法、应用。

背景技术：

1、在聚变实验装置或聚变堆运行时，作为燃料的氢同位素气体，尤其是具有放射性的氚，通常会由于渗透作用或者因泄漏排放至空气中，给环境和公众健康带来危害。因此，需要寻求一种高效、安全地去除含氢同位素废气的方法。

2、氢同位素的催化氧化技术被视作处理含氚废气的有效手段之一。利用催化氧化，把氚气转变为氚水加以收集，以此降低其对环境和公众的危害。现有的贵金属催化剂在氚气的催化氧化过程中，常常存在诸如催化剂活性低以及催化剂稳定性差的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有氢同位素废气氧化反应催化剂活性低(例如，氧化反应所需温度较高，通常大于100℃)、稳定性差(例如，催化剂中贵金属粒子出现烧结和团聚的情况，致使长时间或多次使用后性能下降)的问题，提出了一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂及其制备方法、应用。

2、本发明的技术方法如下：

3、本发明提供了一种稀土氧化物-贵金属催化剂的制备方法，所述制备方法包括：

4、将贵金属盐与有机配体混合，得到贵金属络合物溶液；

5、将稀土金属盐与有机配体混合，得到稀土金属络合物溶液；

6、将硅源、模板剂、去离子水、贵金属络合物溶液以及稀土金属络合物溶液混合，得到前驱体溶液；

7、将前驱体溶液进行水热反应，得到催化剂前体；

8、将催化剂前体进行洗涤后干燥，再煅烧后还原，得到稀土氧化物-贵金属催化剂。

9、所述贵金属盐包括铂盐和/或钯盐，铂盐包括二氯化铂、氯铂酸、氯铂酸钠中的一种或多种，钯盐包括二氯化钯和/或氯钯酸钠；稀土金属盐包括硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨和硝酸钕中的一种或多种。

10、所述有机配体包括乙二胺、二甲基二乙胺、二乙烯三胺、乙酰丙酮中的任意一种。

11、所述硅源包括四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三丙氧基硅烷和三甲氧基硅烷中的一种或多种。

12、所述模板剂为四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵和正丁胺中的任意一种。

13、所述贵金属盐与有机配体的摩尔比为1：16-28；稀土金属盐与有机配体的摩尔比为1：10-25。

14、所述硅源、模板剂、去离子水、贵金属络合物溶液以及稀土金属络合物溶液的摩尔比为1：0.2-0.66：33.5-65.5：0.002-0.018：0.001-0.006。

15、具体来讲，前驱体溶液水热反应的温度为150-200℃；水热的时间为24-96h。

16、具体来讲，催化剂前体的洗涤和干燥步骤包括：对催化剂前体用去离子水洗涤至中性、烘干；其中，烘干的温度为50-150℃；烘干的时间为4-16h。

17、具体来讲，催化剂前体的煅烧步骤包括：将催化剂前体在空气中煅烧；其中，煅烧温度为400-600℃，煅烧的时间为2-8h。

18、具体来讲，催化剂前体的还原步骤包括：将煅烧后的产物在混合气氛下还原；其中，还原温度为300-500℃，还原时间为2-8h，混合气氛包括氢气和氩气，氢气与氩气的体积比为0.5-1.0：9.5-9.0。

19、本发明中，所述方法还包括：本发明提供了一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂，所述催化剂由上述的稀土氧化物-贵金属催化剂的制备方法得到。

20、所述催化剂的稀土金属氧化物和贵金属的活性位点被限域在纯硅分子筛结构中，稀土氧化物-贵金属团簇的平均粒径小于4nm。

21、本发明提供了一种上述稀土氧化物-贵金属催化剂在氢同位素催化氧化中的应用。

22、本发明的有益效果是：

23、(1)本发明通过贵金属和稀土的结合，制备得到稀土氧化物-贵金属催化剂，由于稀土金属氧化物因其独特的电子结构和贵金属作为氧源共同提高催化剂的氧化反应性能，降低氢同位素氧化反应所需的温度(≤50℃)。

24、(2)本发明的催化剂将稀土金属氧化物和贵金属的活性位点被限域在纯硅分子筛的孔道结构中，由于孔道结构的限制作用，在受热过程中，这些活性位点并不会发生明显团聚现象，从而避免出现烧结和团聚，造成活性低、稳定性差的问题。

25、(3)本发明的催化剂将稀土金属氧化物和贵金属的活性位点限域在纯硅分子筛的孔道结构中，从而更好地控制稀土氧化物-贵金属团簇的粒径(平均尺寸<4nm)。

26、(4)本发明的催化剂里，贵金属和稀土氧化物的含量分别均为≤0.5wt.％，使用量较少，成本较低。

技术特征：

1.一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，前驱体溶液水热反应的温度为150-200℃；水热的时间为24-96h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，催化剂前体的洗涤和干燥的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，催化剂前体的煅烧的步骤包括：

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，催化剂前体的还原的步骤包括：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，贵金属盐包括铂盐和/或钯盐，铂盐包括二氯化铂、氯铂酸、氯铂酸钠中的一种或多种，钯盐包括二氯化钯和/或氯钯酸钠；稀土金属盐包括硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨和硝酸钕中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有机配体包括乙二胺、二甲基二乙胺、二乙烯三胺、乙酰丙酮中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅源包括四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三丙氧基硅烷和三甲氧基硅烷中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，模板剂为四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵和正丁胺中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，贵金属盐与有机配体的摩尔比为1：16-28；稀土金属盐与有机配体的摩尔比为1：10-25。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅源、模板剂、去离子水、贵金属络合物溶液以及稀土金属络合物溶液的摩尔比为1：0.2-0.66：33.5-65.5：0.002-0.018：0.001-0.006。

12.一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂，其特征在于，所述稀土氧化物-贵金属催化剂由权利要求1-11任一项所述的用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂的制备方法得到。

13.根据权利要求12所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂的稀土金属氧化物和贵金属的活性位点被限域在纯硅分子筛结构中，稀土氧化物-贵金属团簇的平均粒径小于4nm。

14.一种权利要求12或13所述用于氢同位素氧化的稀土氧化物-贵金属催化剂在氢同位素催化氧化中的应用。

技术总结本发明提供了一种用于氢同位素氧化的稀土氧化物‑贵金属催化剂及其制备方法、应用。所述用于氢同位素氧化的稀土氧化物‑贵金属催化剂的制备方法包括：将贵金属盐与有机配体混合，得到贵金属络合物溶液；将稀土金属盐与有机配体混合，得到稀土金属络合物溶液；将硅源、模板剂、去离子水、贵金属络合物溶液以及稀土金属络合物溶液混合，得到前驱体溶液；将前驱体溶液进行水热反应，得到催化剂前体；将催化剂前体进行清洗后干燥，再煅烧后还原，得到稀土氧化物‑贵金属催化剂。本发明制备得到的稀土氧化物‑贵金属催化剂，由于稀土金属氧化物因其独特的电子结构和贵金属作为氧源共同提高催化剂的氧化反应性能，降低氢同位素氧化反应所需的温度。技术研发人员：冯兴文,魏贵林,周琳森,王祥霖,喻彬,宋江锋,石岩受保护的技术使用者：中国工程物理研究院材料研究所技术研发日：技术公布日：2024/12/2