CN103721705A - 一种多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂及其制备方法 - Google Patents
一种多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂及其制备方法。它包括多孔TiO2纤维载体和分散在载体中的贵金属活性组分,所述的多孔TiO2纤维载体为毛毡状,由长度为数个微米的TiO2纤维交织而成,TiO2纤维间有不规则、孔径大小范围为2~1000nm的多孔,构成了分等级中孔-大孔结构,所述的贵金属以零价形式存在,粒径范围0.5-3nm。本发明提供的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂为分等级中孔-大孔结构,活性组分重金属在载体中分散性好、粒径在1-3nm间并为0价,室温即可催化分解甲醛,且催化活性高,用量小。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂及其制备方法,属于室内空气净化领域。
背景技术
甲醛是室内最严重的污染物之一,具有较高的毒性。因此,消除室内甲醛污染已成为改善人们生活环境的迫切任务。目前,治理室内甲醛污染方法有多种,如吸附法、吸收法、负离子氧化法、臭氧催化氧化法、生物过滤/植物净化法、低温等离子体法、催化氧化法等。其中催化氧化法包括光催化氧化法和热催化氧化法。光催化氧化法是以TiO2纳米粉体或薄膜作为光催化剂,在光照下催化氧化甲醛的方法,其制备方法复杂,技术要求高,且需要特定的激发光源下进行,如中国发明专利(专利号ZL98115808.0,CN201010174418.6等)。而热催化氧化法又包括高温催化氧化和室温催化氧化法。如应用于室内空气的净化的中国发明专利(CN200510067178.9)等。相比较而言,室温催化氧化法是最具应用潜力的一直方法。近年来,该技术在室内空气净化应用研究也取得了新的进展和突破,如中国发明专利CN200410047973.7、CN200410102837.3、CN200910215887.5、CN200910098634.4、CN200910047376.7、CN200610011663.9,CN200710121423.9和CN201210389227.0。专利CN200410047973.7中先制备金属氧化物载体,然后浸泡在贵金属组分的溶液后蒸发制得,该催化剂有效成分贵金属的状态未标明,活性也较低。众所周知,要获得高且稳定的甲醛催化氧化活性,催化剂必须要有良好的分散性,较小的粒径和适当的价态。而大部分专利如CN200410102837.3、CN200910215887.5、CN200910098634.4、CN200910047376.7、CN200610011663.9和CN200710121423.9中所描述的催化剂的制备方法制备的样品中金属可能以氧化物的形式存在,粒子的粒径较大(通常>3nm),且分散性差,这将会影响到活性的提高;而如果要得到0价的贵金属,还需要高温的H2还原过程,使工艺复杂化,成本也相应提高。专利CN201210389227.0报道了一种甲醛室温氧化催化剂的制备方法,该方法以多孔性无机氧化物为载体,以硼氢化纳为还原剂,可溶性金属氢氧化物为添加剂,通过浸渍-室温还原-沉积法与贵金属前驱体反应制得。该方法实现了催化剂的室温催化氧化,也表现出较高的催化活性。但以上公开专利中制备的催化剂从实用的角度考虑,其催化活性有待于进一步提高,且其都是以普通多孔性无机物纳米颗粒(如二氧化钛、氧化铝、分子筛、氧化铈和氧化硅等)为载体制得,这些催化剂如应用到填充型净化设备中需要压片或进一步将其负载在其它大块型载体上才能使用,这会使工艺复杂化,且存在气阻大和催化剂易脱落的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足而提供一种多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂及其制备方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂,它包括多孔TiO2纤维载体和分散在载体中的贵金属活性组分,所述的多孔TiO2纤维载体为毛毡状,由长度为数个微米的TiO2纤维交织而成,TiO2纤维间有不规则、孔径大小范围为2~1000nm的多孔,构成了分等级中孔-大孔结构,所述的贵金属以零价形式存在,粒径范围0.5-3nm。
上述方案中,所述TiO2纤维直径为50-500nm,长度为0.4μm-2cm。
上述方案中,所述贵金属为铂、金、钯、铑中的一种或几种;负载量为0.05~5wt%,其最优的负载量在0.1~0.5wt%。
上述多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,它是以钛醇盐和聚乙烯吡咯烷酮为静电纺丝原液,在酸性物质抑制剂和造孔剂的作用下,通过静电纺丝制备TiO2/高分子纳米复合纤维,然后焙烧得到多孔TiO2纳米晶纤维;再以此多孔TiO2纳米晶纤维为载体,贵金属盐溶液为前驱体,浸渍-沉积法制备多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂。
按上述方案,所述的多孔TiO2纳米晶纤维的具体制备方法是将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中得到聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇溶液,其中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为3~10wt%,优选为6-7wt%,然后在搅拌的作用下加入酸性物质抑制剂及造孔剂,接着加入钛醇盐,搅拌均匀后进行静电纺丝得到TiO2/高分子纳米复合纤维,其中无水乙醇和钛醇盐的摩尔比为=1:0.02~0.04,优选为1:0.08~0.032,然后在空气中放置1~12h后再进行焙烧得到,所述的焙烧温度为400-750℃,焙烧时间为0.5~10h。
按上述方案,所述的钛醇盐为钛酸四异丙脂、钛酸四丁酯中的一种或二种的混合物;所述的造孔剂为表面活性剂和尿素的混合物,其中所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),三乙醇胺,十二烷基苯磺酸钠,聚乙二醇中的一种或以上的混合物;所述的酸性物质抑制剂为冰醋酸,所述无水乙醇,表面活性剂,冰醋酸和尿素的摩尔比为:1:0.001~0.3:0.1~0.5:0.01~0.6,优选为1:0.01~0.1:0.25~0.35:0.1~0.3。
按上述方案,所述的静电纺丝工艺中静电纺丝液的流速1~5mL/h,纺丝针头直径为0.3~2mm,工作电压强度为1.2~2kV/cm;优选地,静电纺丝液的流速1.5~2mL/h,纺丝针头直径为0.7~0.9mm,工作电压强度为1.3~1.4kV/cm。
按上述方案,所述的浸渍-沉积法为:将多孔TiO2纳米晶纤维分散于贵金属盐前驱体溶液中浸泡0.5~3h,其中贵金属盐以其中的贵金属含量计为多孔TiO2纳米晶纤维的0.05~5wt%, 优选为0.1~0.5wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入还原剂的碱性溶液,将贵金属还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,还原剂与贵金属盐前驱体的摩尔比为0.1~1:2~20:1,继续搅拌10~60min,接着将沉积有贵金属的载体溶液进行加热搅拌蒸发溶剂,干燥,冷却即得多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂。
按上述方案,所述的蒸发温度为60-100℃,蒸发时间为1-24h,干燥温度为60~110℃,干燥时间为4-24h。
按上述方案,所述的还原剂为强还原剂,具体为硼氢化钠、水合肼中的一种或两种的混合物;所述还原剂的碱性溶液的pH值为9-11。
按上述方案,所述的贵金属盐为氯铂酸,氯金酸,氯化钯,硝酸钯,三氯化铑等化合物中的一种或几种的混合物。
本发明所提供的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂具有孔径大小范围为2~1000nm的分等级中孔-大孔多孔结构,有利于催化反应过程中的物质传递,便于催化反应过程中的反应物/产物更容易达到/离开催化剂表面,进而非常有利于催化反应的进行,达到提高催化剂的活性的作用;且活性组分重金属在载体中分散性好、粒径在1-3nm间并为0价,由此可保证该催化剂的高室温催化氧化甲醛的活性;可直接应用在填充型净化设备中,气阻小,催化剂不易脱落,可避免传统催化剂应用于填充型净化设备中需要压片或进一步将其负载在其它大块型载体上才能使用而产生的气阻大和催化剂易脱落的问题。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的催化剂为分等级中孔-大孔结构,活性组分重金属在载体中分散性好、粒径在1-3nm间并为0价,室温即可催化甲醛氧化,且催化活性高,用量小;
(2)催化剂产品为毛毡状,可直接应用于填充型净化设备中,气阻小,催化剂不易脱落,可避免传统催化剂应用于填充型净化设备中需要压片或进一步将其负载在其它大块型载体上才能使用而产生的气阻大和催化剂易脱落的问题;
(3)制备方法操作简单,成本低,重复性好,适合工业化大生产。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的多孔TiO2纤维在焙烧前和后(插入图)的光学相机照片。
图2为本发明实施例1所制备的催化剂样品的FESEM照片。
图3为本发明实施例1所制备的催化剂样品的TEM照片。
图4为本发明实施例1所制备的催化剂的XPS谱图。
图5为本发明实施例1的催化剂与对照催化剂的甲醛室温氧化结果图,其中(a)为甲醛浓度的变化图,(b)为二氧化碳浓度变化图。
具体实施方式
以下结合本发明的具体实施例,对本发明的发明人内容做进一步作描述,但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及CTAB和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌12h,其中无水乙醇,CTAB,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.05:0.29:0.1:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速1.5mL/h,纺丝针头直径为0.75mm,工作电压强度为1.3kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为500℃,焙烧时间为3h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯铂酸溶液浸泡1h,其中氯铂酸中的铂相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.2wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用0.5M的NaOH溶液调节为11左右),将氯铂酸还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与氯铂酸的摩尔比为0.5:10:1,继续搅拌20min,接着将沉积有铂的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3h,80℃干燥12h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载铂甲醛室温氧化催化剂,命名为Pt/TiO2纳米纤维。
上述制备的多孔TiO2纤维在焙烧前和焙烧后的光学相机照片见图1,照片中显示TiO2纤维在焙烧前后都为毛毡状。
所述催化剂的FESEM,TEM和XPS谱图分析分别见图2,图3和图4,其中:所述的多孔TiO2纤维载体由直径为50-200nm,长度为0.4μm–2cm的TiO2纤维交织而成,TiO2纤维间形成了大量不规则、孔径大小范围为2-1000nm的多孔,为分等级中孔-大孔结构,贵金属Pt以零价单质形式存在(这由图4中的70.3eV和73.9eV两个特征峰可看出)粒径范围2-3nm,高度分散在TiO2纤维的外表面。
实施例2甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及CTAB和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌24h,其中无水乙醇,CTAB,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.05:0.29:0.1:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速1.5mL/h,纺丝针头直径为0.75mm,工作电压强度为1.3kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为600℃,焙烧时间为2h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯铂酸溶液浸泡2h,其中氯铂酸中的铂相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.1wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用0.5M的NaOH溶液调节为11左右),将氯铂酸还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与氯铂酸的摩尔比为0.8:15:1,继续搅拌20min,接着将沉积有铂的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度80℃,蒸发时间5h,60℃干燥24h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载铂甲醛室温氧化催化剂。
实施例3甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及CTAB和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌18h,其中无水乙醇,CTAB,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.1:0.4:0.1:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速2.5mL/h,纺丝针头直径为1.25mm,工作电压强度为1.8kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为450℃,焙烧时间为6h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯铂酸溶液浸泡3h,其中氯铂酸中的铂相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.5wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用0.5M的NaOH溶液调节为11左右),将氯铂酸还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与氯铂酸的摩尔比为0.1:3:1,继续搅拌50min,接着将沉积有铂的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度90℃,蒸发时间4h,100℃干燥4h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载铂甲醛室温氧化催化剂。
实施例4甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及十二烷基苯磺酸钠和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌12h,其中无水乙醇,十二烷基苯磺酸钠,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.05:0.29:0.25:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速3.0mL/h,纺丝针头直径为1.5mm,工作电压强度为1.8kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为600℃,焙烧时间为2.0h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯铂酸溶液浸泡1h,其中氯铂酸中的铂相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.1wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用NaOH溶液调节为11左右),将氯铂酸还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与氯铂酸的摩尔比为0.5:10:1,继续搅拌20min,接着将沉积有铂的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3h,80℃干燥12h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载铂甲醛室温氧化催化剂。
实施例5甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及聚乙二醇和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌均匀,其中无水乙醇,聚乙二醇,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.2:0.4:0.2:0.04;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速4.0mL/h,纺丝针头直径为2.0mm,工作电压强度为2.0kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置5h后进行焙烧,焙烧温度为500℃,焙烧时间为4h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯铂酸溶液浸泡1h,其中氯铂酸中的铂相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.2wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入pH为11的硼氢化钠的碱性溶液,将氯铂酸还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与氯铂酸的摩尔比为0.5:20:1,继续搅拌30min,接着将沉积有铂的溶液进行加热搅拌蒸发,干燥,冷却后得到多孔TiO2纤维负载铂甲醛室温氧化催化剂。
实施例6甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为3wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及三乙醇胺和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌12h,其中无水乙醇,三乙醇胺,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.001:0.15:0.01:0.02;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速2.5mL/h,纺丝针头直径为1.25mm,工作电压强度为1.6kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为500℃,焙烧时间为3h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于硝酸钯溶液浸泡1h,其中硝酸钯中的钯相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.2wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用0.5M的KOH溶液调节为9左右),将硝酸钯还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与硝酸钯的摩尔比为0.5:5:1,继续搅拌10min,接着将沉积有钯的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3h,80℃干燥12h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载钯甲醛室温氧化催化剂。
所述催化剂经FESEM,TEM和XPS谱图分析,得:所述的多孔TiO2纤维载体由直径为50-200nm,长度为0.4μm–2cm的TiO2纤维交织而成,TiO2纤维间形成了大量不规则、孔径大小范围为2-1000nm的多孔,为分等级中孔-大孔结构,贵金属Pd以零价单质形式存在粒径范围0.5-3nm,高度分散在TiO2纤维的外表面。
实施例7甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为9wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及CTAB和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四丁酯,继续搅拌12h,其中无水乙醇,CTAB,冰醋酸,尿素和钛酸四丁酯的摩尔比为=1:0.05:0.29:0.1:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速2.5mL/h,纺丝针头直径为0.75mm,工作电压强度为1.4kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为650℃,焙烧时间为2h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于硝酸钯溶液浸泡1h,其中硝酸钯中的钯相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.1wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用0.5M的KOH溶液调节为11左右),将硝酸钯还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与硝酸钯的摩尔比为0.5:10:1,继续搅拌20min,接着将沉积有钯的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3h,90℃干燥8h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载钯甲醛室温氧化催化剂。
实施例8甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及十二烷基苯磺酸钠和尿素做造 孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌12h,其中无水乙醇,十二烷基苯磺酸钠,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.01:0.29:0.2:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速3.0mL/h,纺丝针头直径为1.0mm,工作电压强度为1.6kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置8h后进行焙烧,焙烧温度为700℃,焙烧时间为3h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯铂酸溶液浸泡1h,其中氯铂酸中的铂相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为2.0wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入pH调为10的水合肼的碱性溶液,其中碳酸氢钠,水合肼与氯铂酸的摩尔比为0.5:2:1,继续搅拌20min,接着将沉积有铂的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3h,80℃干燥12h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载铂甲醛室温氧化催化剂。
实施例9甲醛室温氧化催化剂的制备
(1)先将0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中,配得聚乙烯吡咯烷酮质量含量为6wt%的无水乙醇溶液,在搅拌的作用下加入冰醋酸做抑制剂及CTAB和尿素做造孔剂,接着加入钛酸四异丙酯,继续搅拌12h,其中无水乙醇,CTAB,冰醋酸,尿素和钛酸四异丙酯的摩尔比为=1:0.05:0.29:0.1:0.03;加入静电纺丝装置中进行静电纺丝,静电纺丝液的流速1.5mL/h,纺丝针头直径为0.75mm,工作电压强度为1.3kV/cm,获得TiO2/高分子复合纤维;
(2)将步骤(1)中获得的TiO2/高分子复合纤维在空气中放置2h后进行焙烧,焙烧温度为500℃,焙烧时间为3h,得到多孔TiO2纤维。
(3)将步骤(2)中获得的多孔TiO2纤维分散于氯金酸溶液浸泡1h,其中氯金酸中的金相对于多孔TiO2纳米晶纤维的质量为0.5wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入硼氢化钠的碱性溶液(pH值用0.5M的NaOH溶液调节为11左右),将氯金酸还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为0.5:10:1,继续搅拌20min,接着将沉积有金的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3h,80℃干燥12h,冷却后得到多孔TiO2纤维负载金甲醛室温氧化催化剂。
所述催化剂经FESEM,TEM和XPS谱图分析,得:所述的多孔TiO2纤维载体由直径为50-200nm,长度为0.4μm–2cm的TiO2纤维交织而成,TiO2纤维间形成了大量不规则、孔径大小范围为2-1000nm的多孔,为分等级中孔-大孔结构,贵金属Au以零价单质形式存在粒径范围0.5-3nm,高度分散在TiO2纤维的外表面。
甲醛室温催化氧化试验
为考察本发明制备的催化剂在室温下催化氧化降解甲醛效果,本发明人按以下方法对其室温降解甲醛性能进行测试。测试过程如下:取催化剂0.2g平铺于直径为14cm的表面皿表面,盖上玻璃盖,然后将该附着有催化剂的表面皿至于5.9L的有机玻璃反应器中,反应器内底部放置一个5W的风扇,再将一定量的浓甲醛溶液注入反应器内,打开风扇,至甲醛挥发直至浓度平衡,将玻璃盖移去,此时催化剂与甲醛开始接触反应,在此过程中通过多组分气体分析仪(INNOVA air Tech Instruments Model1412)在线监测甲醛和产物二氧化碳的浓度变化。
为做对照,以商业纳米TiO2粉体(德国,Degussa,P25)为载体制备Pt/TiO2粉体催化剂。制备方法如下:
(1)将商业纳米TiO2粉体搅拌分散在水溶液中,然后加入氯铂酸溶液,其中氯铂酸以铂含量计相对于TiO2的含量为0.2wt%,继续搅拌1h;
(2)在步骤(1)的溶液中加入碳酸氢钠,接着加入硼氢化钠的碱性溶液(用0.5M的NaOH溶液调节其pH值控制在11之间),将氯铂酸还原成铂纳米粒子,碳酸氢钠和硼氢化钠及铂的摩尔比为0.5:10:1,继续搅拌20min;
(3)将步骤(2)中获得的沉积有铂样品的溶液进行加热搅拌蒸发,蒸发温度100℃,蒸发时间3小时;
(4)将步骤(3)所得产物在80℃干燥12h,冷却后研磨得到甲醛室温氧化催化剂,此催化剂命名为Pt/P25。
实施例1-9中制备的催化剂的60min活性数据见表1。从表1可知,本发明的催化剂在比较低的贵金属负载量的条件下,均具有优异的催化活性。部分数据中产物CO2的浓度比甲醛起始的浓度高,是因为反应器壁吸附的甲醛在反应过程中脱附被氧化的结果。
表1
实例1中催化剂及对照试验中的催化剂随时间变化的催化活性数据见图5。图5显示,本发明实施例1中所制备的多孔TiO2纤维负载铂催化剂甲醛浓度的降低速率和产生二氧化碳的速率均明显高于以商业纳米TiO2粉体为载体制备的对照催化剂,这表明前者的甲醛室温氧化活性更高。
另为考察本发明催化剂的重复使用性能,特将实施例1的催化剂样品重复使用4次,观察其重复性能,结果见表2,由表2可看出:本发明的催化剂在多次的使用过程中,活性基本保持不变,说明本发明催化剂活性稳定。
表2
Claims (10)
1.多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂,其特征在于:它包括多孔TiO2纤维载体和分散在载体中的贵金属活性组分,所述的多孔TiO2纤维载体为毛毡状,由长度为数个微米的TiO2纤维交织而成,TiO2纤维间有不规则、孔径大小范围为2~1000nm的多孔,构成了分等级中孔-大孔结构,所述的贵金属以零价形式存在,粒径范围0.5-3nm。
2.根据权利要求1所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂,其特征在于:所述TiO2纤维直径为50-500nm,长度为0.4μm-2cm。
3.根据权利要求1所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂,其特征在于:所述贵金属为铂、金、钯、铑中的一种或几种,负载量为0.05~5wt%。
4.权利要求1所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:它是以钛醇盐和聚乙烯吡咯烷酮为静电纺丝原液,在酸性物质抑制剂和造孔剂的作用下,通过静电纺丝制备TiO2/高分子纳米复合纤维,然后焙烧得到多孔TiO2纳米晶纤维;再以此多孔TiO2纳米晶纤维为载体,贵金属盐溶液为前驱体,浸渍-沉积法制备多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂。
5.根据权利要求4所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:所述的多孔TiO2纳米晶纤维的具体制备方法是将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中得到聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇溶液,其中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为3~10wt%,然后在搅拌的作用下加入酸性物质抑制剂及造孔剂,接着加入钛醇盐,搅拌均匀后进行静电纺丝得到TiO2/高分子纳米复合纤维,其中无水乙醇和钛醇盐的摩尔比为=1:0.02~0.04,然后在空气中放置1~12h后再进行焙烧得到,所述的焙烧温度为400-750℃,焙烧时间为0.5~10h。
6.根据权利要求4所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:所述的钛醇盐为钛酸四异丙脂、钛酸四丁酯中的一种或二种的混合物;所述的造孔剂为表面活性剂和尿素的混合物,其中所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵,三乙醇胺,十二烷基苯磺酸钠,聚乙二醇中的一种或以上的混合物;所述的酸性物质抑制剂为冰醋酸,所述无水乙醇,表面活性剂,冰醋酸和尿素的摩尔比为:1:0.001~0.3:0.1~0.5:0.01~0.6。
7.根据权利要求4所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:所述的静电纺丝工艺中静电纺丝液的流速1~5mL/h,纺丝针头直径为0.3~2mm,工作电压强度为1.2~2kV/cm。
8.根据权利要求4所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:所述的浸渍-沉积法为:将多孔TiO2纳米晶纤维分散于贵金属盐前驱体溶液中浸泡0.5~3h,其中贵金属盐以其中的贵金属含量计为多孔TiO2纳米晶纤维的0.05~5wt%,接着加入碳酸氢钠,再加入还原剂的碱性溶液,将贵金属还原成金属纳米粒子,其中碳酸氢钠,还原剂与贵金属盐前驱体的摩尔比为0.1~1:2~20:1,继续搅拌10~60min,接着将沉积有贵金属的载体溶液进行加热搅拌蒸发溶剂,干燥,冷却即得多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂。
9.根据权利要求4所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:所述的蒸发温度为60-100℃,蒸发时间为1-24h,干燥温度为60~110℃,干燥时间为4-24h。
10.根据权利要求4所述的多孔TiO2纤维负载贵金属甲醛室温氧化催化剂的制备方法,其特征在于:所述的还原剂为强还原剂,具体为硼氢化钠、水合肼中的一种或两种的混合物;所述还原剂的碱性溶液的pH值为9-11;所述的贵金属盐为氯铂酸,氯金酸,氯化钯,硝酸钯,三氯化铑化合物中的一种或几种的混合物。
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