CN106622227B - 一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：(a)制备得黄色的固体粉末CeO2载体；(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为5‑50mg Ru/mL；(c)制备单原子催化剂：采用浸渍法，将步骤(a)制备得到的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，浸渍，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥，再煅烧，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2。采用本方法一般催化反应用量(负载量很低)极少，原子利用率极高。

Description

一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种单原子催化剂制备方法，协同低温等离子体技术应用于室内有害挥发性有机物净化。
背景技术
当前社会，室内空气质量问题是一个日益严峻且越来越受重视的一个问题，甲酸超标、微生物病毒细菌的传播、空调综合症等各种问题不断充斥着人们的眼线，各种工业废气、汽车尾气的排放更是使得空气质量环境更加恶化，人们都在寻求一个简单直接的方法来解决空气质量问题，保持身心健康。现在室内空气净化采用的手段包括静电吸尘、负离子、等离子、臭氧、活性碳吸附、光催化氧化(光触媒)等技术。
低温等离子体技术消除污染物的研究最近比较火热。其原理为：低温等离子体中包含有大量的活性粒子，它们不仅种类繁多(氢氧自由基、单个氧原子等物质)，而且普遍都具有极强的氧化性，经过一系列的催化氧化还原反应，空气中的各类有害有机物和微生物统统被处理掉，这项技术去除微生物的效果可达95％。但是其也存在缺陷。专利CN104501311 A公布了一种室内空气净化装置，其主要是利用电晕放电技术来净化室内空气，该技术可有效地杀死气流中的细菌，但是其不能彻底分解去除污染物、极易引起二次污染、需要其他后续处理技术配合、能耗大等。
因此，研究者探索将低温等离子体技术与催化技术有机地结合起来，很好地解决了这些问题。专利CN 103638761 A公布了一种低温等离子体耦合催化净化去除恶臭气体的方法及其装置，其主要利用低温等离子技术协同催化氧化技术来处理恶臭气体，该方法对可以实现常温常压常湿的条件下去除恶臭气体。因此制备出协同低温等离子技术的催化剂将会解决低温等离子技术分解去除污染物不彻底、极易引起二次污染的缺点。而催化剂失活现象是所有催化反应中不可避免、又必须克服的难题，如何提高催化剂的使用寿命是一个重要的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法，本方法制备的催化剂分散性好，贵金属原子以单原子的形态存在于催化剂中，使用寿命长、原子利用率高，降低使用成本，且催化效果好。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(a)制备载体：
(1)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.3-0.6mol/L，然后在溶液中加入乙二醇或甘油作分散剂，所述的溶液中的分散剂与Ce3+的摩尔比为(2-3):1；
(2)在溶液中滴加氨水至pH＝8-10，搅拌，然后静置8-12h，过滤得到沉淀物；
(3)将过滤后的沉淀物用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤除掉乙二醇或者甘油；
(4)将洗涤后的沉淀物置于100-120℃的烘箱中干燥4-6h；
(5)将干燥后的沉淀物研磨，使其颗粒直径在20-40目，或直接装入研钵中，然后放入马弗炉中，在300-500℃焙烧得黄色的固体粉末CeO2载体；
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为5-50mg Ru/mL；
(c)制备单原子催化剂：采用浸渍法，将步骤(a)制备得到的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，在10-30℃下浸渍10-18h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥4-8h，在300-500℃下煅烧4-6h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为(30-50):1。
本发明采用上述技术方案后具有的优点：
1.我国稀土资源种类繁多，储量丰富，价格便宜。纳米稀土元素作为催化剂助剂，能够有效提高催化剂活性组分的催化性能，还能通过纳米稀土离子的价态改变储存和释放氧。
2.本发明制备的催化剂为单原子催化剂，不仅可以改变催化反应的活性，而且一般催化反应用量(负载量很低)极少，原子利用率极高，极大的克服了传统催化剂金属原子利用率低的缺点。
3.放电条件下，催化剂催化空气发生一系列自由基链反应分解生成大量的羟基自由基，由于羟基自由基很高的氧化电位，在常温下就能够深度氧化分解有害挥发性有机污染物，也能够将环状化合物开环氧化分解为二氧化碳和水。
具体实施方式
下面将结合本发明实施案例，对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(a)制备载体：
(1)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.3-0.6mol/L，然后在溶液中加入乙二醇或甘油作分散剂，所述的溶液中的分散剂与Ce3+的摩尔比为(2-3):1；
(2)在溶液中滴加氨水至pH＝8-10，搅拌，然后静置8-12h，过滤得到沉淀物；
(3)将过滤后的沉淀物用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤除掉乙二醇或者甘油；
(4)将洗涤后的沉淀物置于100-120℃的烘箱中干燥4-6h；
(5)将干燥后的沉淀物研磨，使其颗粒直径在20-40目，或直接装入研钵中，然后放入马弗炉中，在300-500℃焙烧得黄色的固体粉末CeO2载体；
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为5-50mg Ru/mL；
(c)制备单原子催化剂：采用浸渍法，将步骤(a)制备得到的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，在10-30℃下浸渍10-18h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥4-8h，在300-500℃下煅烧4-6h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为(30-50):1。
作为本发明的一种优选的实施方式，将所述的步骤(a)中制备的CeO2载体在微波反应器中进行加热，对所述的CeO2进行微波活化。微波可以增加载体的表面积，使载体表面的孔径分散更加均匀，便于贵金属的负载。
实施例1
(a)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.3mol/L，加入适量的乙二醇作分散剂(分散剂与Ce3+的摩尔比为2)。滴加氨水至pH＝10。继续搅拌，静置8h后，过滤，用蒸馏水洗涤3次，再用乙醇洗涤3次，然后置于110℃的烘箱中干燥4h。干燥后的沉淀物研磨，使其颗粒直径在20-40目，然后放入马弗炉，在300℃焙烧即可得黄色的固体粉末—CeO2载体。
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为5mg Ru/mL；
(c)采用等体积浸渍法，将步骤(a)制备得到的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，10℃下浸渍10h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥4h，在300℃下煅烧4h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为30:1。
催化性能的测试在等离子体协同催化反应器中进行，以甲醛为有害挥发性有机物，浓度为1000mg/m3，空速为10000h-1，用气相色谱仪检测反应物和产物的浓度，并用臭氧分析仪检测臭氧的进口和出口浓度。1#Ru/CeO2单原子催化剂的催化性能，见表1。
实施例2
(a)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.6mol/L，加入适量的甘油作分散剂(分散剂与Ce3+的摩尔比为3)。滴加氨水至pH＝8。继续搅拌，静置12h后，过滤，用蒸馏水洗涤3次，再用乙醇洗涤3次，然后置于100℃的烘箱中干燥6h。干燥后的沉淀物直接装入研钵，放入马弗炉中，在500℃焙烧即可得黄色的固体粉末—CeO2载体。
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为50mg Ru/mL；
(c)将步骤(a)制备得到的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，30℃下浸渍18h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥8h，在500℃下煅烧5h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为50:1。
催化性能的测试在等离子体协同催化反应器中进行，以甲醛为有害挥发性有机物，浓度为1000mg/m3，空速为10000h-1，用气相色谱仪检测反应物和产物的浓度，并用臭氧分析仪检测臭氧的进口和出口浓度。2#Ru/CeO2单原子催化剂的催化性能，见表1。
实施例3
(a)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.5mol/L，加入适量的甘油作分散剂(分散剂与Ce3+的摩尔比为2.5)。滴加氨水至pH＝9。继续搅拌，静置10h后，过滤，用蒸馏水洗涤3次，再用乙醇洗涤3次，然后置于120℃的烘箱中干燥5h。干燥后的沉淀物直接装入研钵中，放入马弗炉，在450℃焙烧即可得黄色的固体粉末—CeO2载体。
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为35mg Ru/mL；
(c)将步骤(a)制备的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，25℃下浸渍15h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥5h，在450℃下煅烧5h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为40:1。
催化性能的测试在等离子体协同催化反应器中进行，以甲醛为有害挥发性有机物，浓度为1000mg/m3，空速为10000h-1，用气相色谱仪检测反应物和产物的浓度，并用臭氧分析仪检测臭氧的进口和出口浓度。3#Ru/CeO2单原子催化剂的催化性能，见表1。
实施例4
(a)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.5mol/L，加入适量的甘油作分散剂(分散剂与Ce3+的摩尔比为2.5)。滴加氨水至pH＝9。继续搅拌，静置10h后，过滤，用蒸馏水洗涤3次，再用乙醇洗涤3次，然后置于120℃的烘箱中干燥5h。干燥后的沉淀物直接装入研钵中，放入马弗炉，在450℃焙烧即可得黄色的固体粉末—CeO2载体。将CeO2载体放入微波反应器中加热2h进行活化。
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为35mg Ru/mL；
(c)将步骤(a)活化的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，25℃下浸渍15h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥5h，在450℃下煅烧6h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为40:1。
催化性能的测试在等离子体协同催化反应器中进行，以甲醛为有害挥发性有机物，浓度为1000mg/m3，空速为10000h-1，用气相色谱仪检测反应物和产物的浓度，并用臭氧分析仪检测臭氧的进口和出口浓度。4#Ru/CeO2单原子催化剂的催化性能，见表1。
表1Ru/CeO2单原子催化剂上甲醛催化净化反应性能

Claims (1)

1.一种室内空气净化的单原子催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)制备载体：
(1)将Ce(NO3)3·6H2O溶于去离子水中，使其浓度为0.3-0.6mol/L，然后在溶液中加入乙二醇或甘油作分散剂，所述的溶液中的分散剂与Ce3+的摩尔比为(2-3):1；
(2)在溶液中滴加氨水至pH＝8-10，搅拌，然后静置8-12h，过滤得到沉淀物；
(3)将过滤后的沉淀物用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤除掉乙二醇或者甘油；
(4)将洗涤后的沉淀物置于100-120℃的烘箱中干燥4-6h；
(5)将干燥后的沉淀物研磨，使其颗粒直径在20-40目，或直接装入研钵中，然后放入马弗炉中，在300-500℃焙烧得黄色的固体粉末CeO2载体；
(6)CeO2载体在微波反应器中进行加热，对所述的CeO2进行微波活化；
(b)将RuCl3·3H2O溶解于去离子水中制得浸渍液，所述的浸渍液中钌的质量浓度为5-50mg Ru/mL；
(c)制备单原子催化剂：采用浸渍法，将步骤(a)制备得到的CeO2载体加入步骤(b)制备得到的浸渍液中，接着加入溶于乙二醇的碘仿溶液，混合均匀，在10-30℃下浸渍10-18h，然后将浸渍后的溶液在旋转蒸发仪上干燥4-8h，在300-500℃下煅烧4-6h，最后得到单原子催化剂Ru/CeO2，所述的浸渍液与碘仿的质量比为(30-50):1。
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