CN103599783A - 铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,属纳米材料制备及环保技术领域。本发明的要点是:将铁的硝酸盐,碳纳米管及溶剂乙醇通过超声进行分散然后进行溶剂热法实现铁化合物在碳纳米管表面的均匀分散,经过洗涤、干燥、焙烧制得具有上述形貌并有良好活性的脱硝催化剂。本发明方法制备的催化剂方法简单易行,对于低温氨选择性催化还原氮氧化物具有优异的效果。本发明制备的催化剂可应用于尾气,火电厂等排放的烟气中的氮氧化物的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,属纳米材料制备及环保技术领域。
背景技术
随着经济的日益发展,我国对于煤炭的消耗及其所带来的环境污染问题日趋上升。以氮氧化物(NOx)为主的燃煤尾气的直接/间接排放,不仅可以造成酸雨、光化学烟雾及臭氧层破坏等环境问题,还能对人的健康造成一定的威胁。因此,对于燃煤等排放的NOx的对于大气的破坏已成为一个不容忽视的环境问题,有效地控制及降低NOx的排放量成为改善大气污染的重点。针对NOx的控制目前主要为两方面:一是燃烧过程控制技术,即在燃烧过程中对NOx的生成进行降低,如调整锅炉的设计、参数及运行,另一方面就是燃烧后控制技术,即通过一定的方法将已经产生的NOx通过物理或化学方法将其固定或还原为N2。第一种方法由于不仅脱硝效率不高且降低锅炉燃烧效率,而第二种方法中的氨选择性催化还原不但没有影响到燃煤效率,且其方法简单,耗资低及转化率高的特点已经发展成为国际应用最多的主导技术。氨选择性催化还原是利用燃煤后的NOx与还原性气体NH3,在催化剂的作用下发生氧化还原反应生成对环境零污染的N2及H2O。目前商业脱硝催化剂多选用技术成熟的钒钛系列催化剂,但其具有活性窗口较窄(约100℃),且活性主要集中在高温范围(300℃-400℃)以及钒活性组分的流失性、抗硫性不好等缺点,因此,开发研制具有低温高脱硝催化活性且无毒的催化剂迫在眉睫。
近年来,铁氧化物及铁离子交换型催化剂,由于其活性物种中高价态氧化物的强还原性,在氨选择性催化还原反应表现出良好的活性。碳纳米管由于其独特的一维管状结构和良好的抗烧蚀性,在脱硝方面不仅可以利用其表面的酸位吸附氨气进一步提高反应,且可以分解NO,有助于提高脱硝性能。白树礼等人(Shuli Bai, Jianghong Zhao, Guixiang Du, etal. In situ modifying of carbon tube-in-tube nanostructures with highly active Fe2O3 nanoparticles, Nanotechnology, 2008,19,205605)提出将活性组分三氧化二铁负载在双层碳纳米管的内外部分,显示出很好的低温脱硝活性,且其稳定性也较好。然而,该制备方法繁冗,操作复杂,实验周期较长,环境污染较大。因此,开发一种操作简易、适用性强、低温选择性催化脱硝性能高的铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管催化剂是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,该方法获得的活性组分铁氧化物纳米粒子能高度均匀地负载在碳纳米管表面,在脱硝催化反应过程中不仅反应窗口宽、催化活性高,且在反应中不会发生聚集。
本发明的催化剂通过以下技术方案实现:
A. 碳纳米管的预处理:先将碳纳米管在稀酸中回流使其表面氧化,并用大量去离子水进行洗涤,干燥后备用;
B. 催化剂的制备:将功能化的碳纳米管与铁化合物放入适量溶剂中,铁化合物的浓度为1×10-3mmol/L-8×10-2mmol/L,超声处理10-180min使得铁化合物均匀分散在溶剂中并加入醇与碳纳米管表面的含氧基团通过氢键作用而结合,然后转移至高压反应釜中,60-180℃水热2-48h,使得铁化合物在碳纳米管表面均匀负载;
C. 焙烧:将高压水热反应后的铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管经洗涤抽滤,烘干后在管式炉中进行氮气保护煅烧处理,煅烧温度为350-700℃,升温速率1-5℃/min,保温1-7h,降温冷却至室温后即得铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂。
本发明的特征在于,所述的反应中使用乙醇,丙醇,丁醇中的一种做为溶剂。这是因为,这些醇的羟基官能团带有负电性,带有负电性的羟基会与金属阳离子通过静电相互作用而结合,而另一端的带有正电性的基团会与功能化处理后的碳纳米管表面的羰基、羟基、羧基通过正负离子相互作用而附着在碳纳米管表面。
本发明的特征在于,所述的铁化合物为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁中的一种,有机铁为乙酰丙酮铁、二茂铁甲醇中的一种。这是因为这些铁盐或有机铁的中的铁均为铁阳离子,易与溶剂中的羟基相互作用静电结合。
本发明的特征在于,所用的溶剂的用量要适量。这是因为铁阳离子通过静电作用与溶剂结合,溶剂的正电部分与碳纳米管表面的负电官能团相结合,溶剂用量过少,会导致铁阳离子不能有效负载在碳纳米管表面,且易发生团聚。
本发明的特征在于,超声的时间为10-180min,这是因为超声辅助的作用一方面是为了将加入其中的碳纳米管与铁盐或有机铁分散在溶剂当中,另一方面是为了加强铁阳离子能高度均匀有效地分散在碳纳米管表面。若超声时间过短,则不利于铁在碳纳米管表面的分散,会造成铁的不完全负载和/或铁在碳纳米管表面的团聚。
本发明的特征在于,所得的铁氧化物的纳米粒子粒径为5-7nm,这是因为通过超声辅助方法利用溶剂的独特性质加强了铁化合物与碳纳米管表面的含氧官能团之间的相互作用,使得铁化合物能均匀分布在碳纳米管表面,降低了铁氧化物纳米粒子团聚的机率。
本发明与现有技术相比,其优点如下:
(1)本发明采用溶剂热法焙烧后得到铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂,与其它脱硝催化剂的制备相比,实验过程简单易行,降低成本。
(2)本发明利用一锅溶剂热法将铁氧化物均匀负载在碳纳米管表面,获得的催化剂具有高活性,高抗水抗硫性,高比表面积的低温脱硝催化剂,相比传统的浸渍法、尿素法,该方法使得活性组分纳米粒子能高度均匀地分散在碳纳米管表面。
(3)本发明使用到的载体-碳纳米管,由于其独特的一维管状结构和良好的抗烧蚀性,在催化方面表现出优异的热稳定性及催化活性,其在脱硝方面不仅可以利用其表面的酸位吸附氨气进一步提高反应,且可以分解NO,有利于提高脱硝性能。
(4)本发明制备的铁氧化物均匀负载碳纳米管催化剂,有着良好的低温催化性能,较传统商业V-W/Ti催化剂的反应活性窗口(300-400℃)相比,本催化剂的活性窗口将其扩大至220-450℃。
(5) 本发明制备的铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,其特征在于述的铁氧化物的纳米粒子粒径为5-7nm。
附图说明
图1为本发明实施例1所得具有高分散性的铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂的透射电子显微镜(TEM)照片。
具体实施方式
下面将结合具体实例,对本发明做进一步的说明阐述,但本发明的实施方法不限于此。
实施例1
先将碳纳米管在稀硝酸(150mL)中于120℃油浴锅中回流6h,冷却至室温后用大量去离子水洗涤,干燥后备用;
称/量取0.05gFe(NO3)3·9H2O、0.3g碳纳米管、80mL乙醇,依次加入至烧杯中,超声处理0.5h,将超声后的溶液全部转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,120℃水热24h。原位形成的铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管用去离子水洗涤、干燥后放入管式炉中氮气气氛保护下通过程序升温从室温升温至500℃,升温速率1-5℃/min,保温4h,得到终产物,催化剂的形貌如图1所示。
测试上述催化剂的催化活性:将制备完成的催化剂进行压片,筛取40-60目的颗粒0.2g,放入固定床石英管反应器中进行活性及选择性的测试,反应温度为100-400℃、空速10000h-1
的条件下,在250℃-420℃范围内脱硝反应效率均在80%以上。模拟烟气的组分有N2、O2、NO和NH3,其中NO和NH3均为500ppm,O2浓度为3%,N2为平衡气。
实施例2
先将碳纳米管在稀硫酸(150mL)中于100℃油浴锅中回流8h,冷却至室温后用大量去离子水洗涤,干燥后备用;
称/量取0.3gFe2(SO4)3、0.5g碳纳米管、80mL丙醇,依次加入至烧杯中,超声处理1h,将超声后的溶液全部转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,80℃水热48h。原位形成的铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管用去离子水洗涤、干燥后放入管式炉中氮气气氛保护下通过程序升温从室温升温至600℃,升温速率1-5℃/min,保温2h,得到终产物催化剂。
测试上述催化剂的催化活性:将制备完成的催化剂进行压片,筛取40-60目的催化剂0.3g,放入固定床石英管反应器中进行活性及选择性的测试,反应温度为80-450℃、空速30000h-1的条件下,在180℃-450℃范围内脱硝反应效率均在85%以上。模拟烟气的组分有N2、O2、NO和NH3,其中NO和NH3均为500ppm,O2浓度为3%,N2为平衡气。
实施例3
先将碳纳米管在稀酸(150mL,硝酸/硫酸=1/1)中于120℃油浴锅中回流6h,冷却至室温后用大量去离子水洗涤,干燥后备用;
称/量取0.5gFeCl3·6H2O、0.7g碳纳米管、80mL丁醇,依次加入至烧杯中,超声处理20min,将超声后的溶液全部转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,180℃水热6h。原位形成的铁氧化物负载碳纳米管用去离子水洗涤、干燥后放入管式炉中氮气气氛保护下通过程序升温从室温升温至650℃,升温速率1-5℃/min,保温1h,得到终产物催化剂。
测试上述催化剂的催化活性:将制备完成的催化剂进行压片,筛取40-60目的颗粒0.4g,放入固定床石英管反应器中进行活性及选择性的测试,反应温度为50-450℃、空速20000 h-1
的条件下,在100℃-450℃范围内脱硝反应效率均在85%以上。模拟烟气的组分有N2、O2、NO和NH3,其中NO和NH3为500ppm,O2浓度为3%,N2为平衡气。
Claims (5)
1.铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,其特征在于具有如下的制备过程:
A. 碳纳米管的预处理:先将碳纳米管在稀酸中回流使其表面氧化,并用大量去离子水进行洗涤,干燥后备用;
B. 催化剂的制备:将功能化的碳纳米管与铁化合物放入适量溶剂中,超声处理10-180min使得铁化合物均匀分散在溶剂中并加强醇与碳纳米管表面的含氧基团的氢键作用,然后转移至高压反应釜中,60-180℃水热2-48h,使得铁化合物在碳纳米管表面高度均匀分散;
C. 焙烧:将高压水热反应后的铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管经洗涤抽滤,烘干后在管式炉中进行氮气保护煅烧处理,煅烧温度为350-700℃,升温速率1-5℃/min,保温1-7h,降温冷却至室温后即得铁氧化物纳米粒子负载碳纳米管脱硝催化剂。
2.根据权利要求书1中所述的铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,其特征在于所述的溶剂为乙醇、丙醇、丁醇中的一种。
3.根据权利要求书1中所述的铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,其特征在于所述的铁化合物为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、乙酰丙酮铁、二茂铁甲醇中的一种。
4.根据权利要求书1中所述的铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,其特征在于所述的铁化合物与碳纳米管的原子摩尔比为0.00001-0.001:1。
5.根据权利要求书1中所述的铁氧化物负载碳纳米管脱硝催化剂的制备方法,其特征在于所述的铁氧化物的纳米粒子粒径为5-7nm。
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