CN106268914A - 具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺及其制品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺及其制品，其制备工艺为：以介孔硅KIT‑6为硬模板，将一定比例的硝酸铈，硝酸铜，硝酸钾在乙醇溶液中混合均匀填充在介孔硅KIT‑6中，然后经过煅烧，去除模板得到双孔道三维结构的铜铈催化剂。本发明选择介孔硅KIT‑6为硬模板主要是为了给铜铈催化剂提供一个三维结构模板，选择一定比例的硝酸钾是为了最终得到一个开放的双孔道结构。本发明所得到的铜铈催化剂具有开放的双孔道结构，表面催化活性位点较多，催化反应能垒更低，在323K下就能将低浓度CO完全去除，并且连续工作24h依然能够保持100%的CO去除效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜铈催化剂，具体是指具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺及其制品。
背景技术
CO是一种危害严重的气体污染物，来源广泛，无色无味，具有血毒性，能够轻易与血红蛋白结合阻止氧气的传输，从而导致机体缺氧，严重损害人体的中枢神经系统、心血管系统以及肝脏、肾脏等部位，甚至死亡。CO氧化是催化研究中常用的模型反应，具有重要的实际应用价值。CO催化氧化技术应用也十分广泛：消防自救式呼吸机、防毒面具、矿井下救生舱、密闭环境体系（如航天器、潜艇、飞机等）以及烟草降害等。由此可见，CO消除涉及到环境、健康、军工等众多领域，实现CO在较低温度下消除已经成为催化研究的热点问题之一。
目前，催化氧化技术是一种消除低浓度CO有效的方法，贵金属催化剂（Au、Pd、Pt）等由于具有催化活性高、稳定性好、抗水能力强等特点而被广泛应用于CO低温催化氧化研究，但是其高昂的价格限制了大规模的应用。对于价格低廉的非贵金属催化剂，如果其能在室温下对CO去除和贵金属催化剂活性相当，则非贵金属催化将会具有更强的应用竞争力。
据文献报道，在众多非贵金属催化剂中，铜铈催化剂展现出了较好的CO催化效果。铜铈催化剂的形貌、孔结构会对催化剂的催化性能产生重要影响，已经有不同形貌（花瓣状、棒状、立方体、纳米线等）和孔结构（介孔、蠕虫状等）的铜铈催化剂被制备，并且它们都能够将低浓度的CO完全转化，但是其存在的缺陷是：其用于 CO完全转化温度基本都大于100℃，同时在空速较大时，含有水汽时催化活性明显降低，有些介孔铜铈催化剂稳定性也不够好。因此开发一种结构稳定，能够在低温下实现CO的完全转化的铜铈催化剂，非常具有开发意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种结构稳定、且能在低温下实现CO催化氧化的具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺。
本发明的另一个目的是提供一种具有双孔道三维结构的铜铈催化剂。
为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：
（1）以介孔硅KIT-6作为硬模板；
（2）将硝酸铈、硝酸铜、硝酸钾加入到乙醇溶液当中，搅拌并充分溶解，其中Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数为10%-30%，(Cu+Ce)/K摩尔比为1-5，最终所得溶液浓度在0.4-0.7 mol/L的混合溶液，备用；
（3）将步骤（1）中制备的介孔硅KIT-6加入到步骤（2）所制备的混合溶液中，在水浴环境下经加热搅拌直到溶液完全挥发形成干燥粉末；
（4）将步骤（3）所得干燥粉末在空气气氛中经高温焙烧4-5h；
（5）将步骤（4）中焙烧所得粉末在热的KOH溶液中搅拌处理，然后经洗涤干燥得到具有开放双孔道三维结构铜铈催化剂。
进一步设置是所述的步骤（1）中采用水热合成方法制备介孔硅KIT-6。
进一步设置是所述的步骤（1）水热合成温度为100℃，水热合成时间为24h。
进一步设置是步骤（2）中，通过调整Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数在15%-25%，铜铈催化剂达到最优催化效果，通过调整(Cu+Ce)/K摩尔比在2-3，铜铈催化剂双孔道结构最稳定，并且催化效果最好。
本发明的第二个目的，是通过以下技术手段实现，该铜铈催化剂具有双孔道和三维结构，双孔道包括有第一孔道和第二孔道，其中，三维结构通过介孔硅KIT-6的多孔结构形成了铜铈催化剂的三维结构，第一孔道通过介孔硅KIT-6形成且孔径等于介孔硅KIT-6孔壁，第二孔道是通过在铜铈催化剂中掺入一定量钾离子所形成的氧化钾易溶于水的特性而水洗氧化钾而得到。
本发明公开了一种双孔道三维结构铜铈催化剂的制备工艺，通过介孔硅KIT-6提供了铜铈催化剂的三维结构和孔径等于介孔硅KIT-6孔壁的第一种孔道，通过在铜铈催化剂中掺入一定量钾离子所形成的氧化钾易溶于水的特性，得到了铜铈催化剂中的第二种孔道，因此会形成具有双孔道三维结构的铜铈催化剂。通过调节(Cu+Ce)/K摩尔比和Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数可以对催化剂的孔道结构及催化活性进行调控，另外也可以通过调整硝酸铈，硝酸铜，硝酸钾按照比例所配溶液摩尔浓度调节模板的填充程度，进而调节孔道的完整程度。
与已有技术相比，本发明所述的一种双孔道三维结构铜铈催化剂的制备具有以下优点：采用廉价的硝酸铈、硝酸铜和硝酸钾等非贵金属为原料，催化剂成本低；制备方法相对简单，可实现催化剂孔道可调节操作；所制备的铜铈催化剂比表面积更大，孔道更为开放，暴露活性位点更多，表面活化能更低；所制备的铜铈催化剂具有更好的CO催化活性和稳定性。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
附图说明
图1 是介孔硅KIT-6 (a)和双孔道三维结构的铜铈催化剂（b）TEM图片，由图可知铜铈催化剂很好的保持了介孔硅KIT-6的三维结构；
图2 是双孔道三维结构的铜铈催化剂的BJH孔径分布图，从图中可以明显的看出铜铈催化剂具有双孔道结构。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1：
将6g P123（聚环氧乙烯醚-聚环氧炳烯醚-聚环氧乙烯醚三嵌段共聚物，数均分子量5800）加入到220g去离子水和12g (35wt%)浓盐酸的混合溶液当中。搅拌6h直到P123完全溶解，形成透明胶体溶液。然后加入6g正丁醇，继续搅拌1h后加入12.86g正硅酸四乙酯，继续搅拌24h。然后将混合溶液移入反应釜，100℃下水热反应24h。所得样品经过过滤，洗涤，干燥后，于马弗炉空气气氛下550℃条件下焙烧4h，得到白色粉末即为介孔硅KIT-6。
实施例2：
将2.2g Ce(NO3)3·6H2O、0.21g Cu(NO3)2·3H2O和0.22g KNO3（其中Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数为15%，(Cu+Ce)/K的摩尔比为2）溶解在10mL的乙醇溶液当中，搅拌20min使其完全溶解，最终所得溶液浓度约为0.4mol/L。然后将1g介孔硅KIT-6加入到混合液中，在水浴环境下经60℃加热搅拌直到溶液完全挥发形成干燥粉末，将此粉末在马弗炉空气气氛下以1oCmin-1升温速率升至450oC并保持4h，形成介孔硅和金属氧化物的复合粉末材料。然后将此粉末材料在60℃热的KOH（1mol/L）溶液中搅拌处理1h，重复两次，经洗涤干燥得到具有双孔道三维结构铜铈催化剂。
实施例3：
将3.3g Ce(NO3)3·6H2O、0.46g Cu(NO3)2·3H2O和0.32g KNO3（其中Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数为20%，(Cu+Ce)/K的摩尔比为3）溶解在15mL的乙醇溶液当中，搅拌20min使其完全溶解, 最终所得溶液浓度约为0.5mol/L。然后将1g介孔硅KIT-6加入到混合液中，在水浴环境下经60℃加热搅拌直到溶液完全挥发形成干燥粉末，将此粉末在马弗炉空气气氛下以1oCmin-1升温速率升至500oC并保持5h，形成介孔硅和金属氧化物的复合粉末材料。然后将此粉末材料在80℃热的KOH（2mol/L）溶液中搅拌处理1h，重复两次，经洗涤干燥得到具有双孔道三维结构铜铈催化剂。
实施例4：
将3.9g Ce(NO3)3·6H2O、0.72g Cu(NO3)2·3H2O和0.3g KNO3（其中Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数为25%，(Cu+Ce)/K的摩尔比为4）溶解在15mL的乙醇溶液当中，搅拌20min使其完全溶解, 最终所得溶液浓度约为0.6mol/L。然后将1g介孔硅KIT-6加入到混合液中，在水浴环境下经70℃加热搅拌直到溶液完全挥发形成干燥粉末，将此粉末在马弗炉空气气氛下以1oCmin-1升温速率升至500oC并保持4h，形成介孔硅和金属氧化物的复合粉末材料。然后将此粉末材料在60℃热的KOH（2mol/L）溶液中搅拌处理1h，重复三次，经洗涤干燥得到具有更加开放的双孔道三维结构铜铈催化剂。
实施例5：
将6.1g Ce(NO3)3·6H2O、1.45g Cu(NO3)2·3H2O和0.4g KNO3（其中Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数为30%，(Cu+Ce)/K的摩尔比为5）溶解在20mL的乙醇溶液当中，搅拌20min使其完全溶解, 最终所得溶液浓度约为0.7mol/L。然后将1g介孔硅KIT-6加入到混合液中，在水浴环境下经60℃加热搅拌直到溶液完全挥发形成干燥粉末，将此粉末在马弗炉空气气氛下以1oCmin-1升温速率升至500oC并保持5h，形成介孔硅和金属氧化物的复合粉末材料。然后将此粉末材料在80℃热的KOH（2mol/L）溶液中搅拌处理1h，重复两次，经洗涤干燥得到具有双孔道三维结构铜铈催化剂。
Claims (5)
1.一种具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
（1）以介孔硅KIT-6作为硬模板；
（2）将硝酸铈、硝酸铜、硝酸钾加入到乙醇溶液当中，搅拌并充分溶解，其中Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数为10%-30%，(Cu+Ce)/K摩尔比为1-5，最终所得溶液浓度为0.4-0.7 mol/L的混合溶液，备用；
（3）将步骤（1）中制备的介孔硅KIT-6加入到步骤（2）所制备的混合溶液中，在水浴环境下经加热搅拌直到溶液完全挥发形成干燥粉末；
（4）将步骤（3）所得干燥粉末在空气气氛中经高温焙烧4-5h；
（5）将步骤（4）中焙烧所得粉末在热的KOH溶液中搅拌处理，然后经洗涤干燥得到具有开放双孔道三维结构铜铈催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺，其特征在于：所述的步骤（1）中采用水热合成方法制备介孔硅KIT-6。
3.根据权利要求2所述的一种具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺，其特征在于：所述的步骤（1）水热合成温度为100℃，水热合成时间为24h。
4.根据权利要求1所述的一种具有双孔道三维结构的铜铈催化剂的制备工艺，其特征在于：步骤（2）中，通过调整Cu/(Cu+Ce)摩尔百分数在15%-25%，步骤（2）中，通过调整(Cu+Ce)/K摩尔比在2-3。
5.一种如权利要求1-4之一所述的制备工艺所制备的具有双孔道三维结构的铜铈催化剂，其特征在于：该铜铈催化剂具有双孔道和三维结构，双孔道包括有第一孔道和第二孔道，其中，三维结构通过介孔硅KIT-6的多孔结构形成了铜铈催化剂的三维结构，第一孔道通过介孔硅KIT-6形成且孔径等于介孔硅KIT-6孔壁，第二孔道是通过在铜铈催化剂中掺入一定量钾离子所形成的氧化钾易溶于水的特性而水洗氧化钾而得到。
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