CN107737526A - 一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车尾气处理技术领域，具体涉及一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板及制备方法。通过将金属氧化物与石墨烯配制成浆体，然后发泡定型为板状，形成微细开孔，烧结后在表面喷涂金属催化剂，并对板设置加热导线。其显著的优势是通过联通加热导线使石墨发热，作为加热源的石墨微粒在原位在金属氧化物催化下快速促进氮氧化物、氨等还原为氮气和水，提高汽车尾气处理效率。

Description

一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板及制备方法
技术领域
本发明属于汽车尾气处理技术领域，具体涉及一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板及制备方法。
背景技术
随着我国经济的快高速发展，我国人民生活水平不断提高，我国的汽车保有量快速增加，现今的社会汽车已成为不可或缺的交通工具，但汽车数量增加的同时，汽车尾气排放对环境造成的污染也越来越严重。在我国的大中城市，汽车尾气排放逐渐成为环境污染的主要污染源，控制汽车尾气排放也成为当今社会发展中的重大课题。因此，加强汽车排放控制和治理将刻不容缓。
据有关专家研究的资料表明，汽车尾气成分非常复杂，有一百种以上，包括：一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、铅（Pb）、苯并芘（BaP）等。其中对生态环境和人体健康危害最大的是一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）。
一氧化碳(CO)主要是燃料燃烧不完全的产物。一氧化碳(CO)是一种无色、无味但有剧烈毒性的气体。它不易与其他物质发生反应而成为大气中比较稳定的组成部分,能停留2～3年。当人们吸入过多的CO后,CO可与血液中的血红蛋白有较强的亲和力，会妨碍血红蛋白的输送氧气的能力。当空气中的一氧化碳浓度超过一定时量，人就会出现头痛、呕吐等中毒症状，浓度再大时，甚至可致人死亡。一氧化碳(CO)是汽车发动机排出有害成分中浓度最大的气体；它引起的公害称为汽车尾气排放的第一大公害。
氮氧化物（NOx）是NO和NO2的总称,它是发动机在大负荷工作时，高温高压燃气中少量氮被氧化成NO、NO2等氮氧化物。其中NO与血液中的血红蛋白的结合能力比CO还强,容易使人们中毒而死亡。NO2是一种褐色有强烈毒性的的气体，刺激人的眼睛和呼吸道引起喘息、支气管炎及肺气肿等，同时NOx也是光化学烟雾的组成成分,成为汽车尾气排放的第二公害。
为了有效治理汽车尾气的环境环境伤害、促进人体健康，各国政府都积极致力于汽车尾气的治理。一方面改进发动机和油品，另一方面是尾气排放的净化处理。
中国专利申请CN201610940780.7，“一种汽车尾气处理净化剂及其制备方法”提供了一种汽车尾气处理净化剂及其制备方法，其净化剂包括载体和涂覆于所述载体的涂层，所述涂层由以下原料制备而成：铝酸钙、氢氧化铪、氧化镨、掺锡氧化锌、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯份、钨酸钆钾、硒脲、氧化石墨烯、载银沸石粉、拟薄水铝石、羧基化改性二氧化硅、甲基纤维素、贝壳粉、托玛琳粉、磷酸铁、钼酸铈、腈化钛、碳分子筛-220、助剂。该技术是以金属氧化为主，辅以盐类化合物、有机物、氧化石墨烯，该技术的不足之处在于汽车尾气快速通过排气系统，在如此短的时间内不足以将尾气中的毒害气体完全净化。
中国专利申请CN201410011696.8，“一种用于汽车内燃机尾气净化的催化剂及其制备方法”涉及一种环保领域的催化剂及其制备方法，尤其适用于汽车内燃机尾气净化的催化剂制备方法。一种用于汽车内燃机尾气净化的催化剂，其特征在于，所述的催化剂包括作为载体的堇青石蜂窝陶瓷、活性Al2O3、过渡金属、贵金属及稀土活性聚合物。稀土氧化物极大的提高催化剂载体的机械强度，且可变价态和独特的储氧功能有效提高催化活性。同时，稀土氧化物可提高催化剂抗铅、硫中毒的能力。该催化剂在使用过程中对温度变化不敏感，即便汽车排气系统的温度发生变化，该尾气处理的催化反应速率也不会发生太大变化，汽车尾气的处理效率较低。
如上所述目前已有通过使用废气净化催化剂使氮氧化物、一氧化碳、氨等还原为氮(N2)和水(H2O)的方法。但由于汽车废气排放速度快，发动机尾气在内燃机或排气管道中流通的时间过短；而催化剂往往难以在如此短的时间内发挥出作用，以至于尾气中的毒害气体没有经过预设的化学反应便被排除空气中，又或者净化不够彻底，仍然造成尾气污染。
发明内容
针对如上所述的现有汽车尾气处理方法的不足，本发明提供一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板,为含有石墨烯,可加热的多微孔、高面积比的板状结,通过辅助加热实现快速催化降解汽车尾气.记忆不提供该催化板的制备方法。
为实现上述目的,采用如下具体技术方案：
一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板，特征是一种多微孔、高面积比的板状结构；催化板的主体结构由金属氧化物与石墨烯经过制浆、发泡定型、烧结制备；在催化板的表面，还喷涂有金属催化剂，并设置有加热导线。
一种制备如上所述的高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的1/2~2/3，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.01-0.05%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结1.5-2小时，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂粉末；布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
所述的氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，以达到增加石墨烯板孔隙度和微细开孔的目的。
所述的金属氧化物是氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氧化镧、氧化钒中的一种或者多种的任意比例混合物。
进一步的，步骤三中所述的金属氧化物用量是：石墨烯与金属氧化物的质量比为1:1~8。
进一步的，步骤六中所述的金属催化剂为Pt、Au、Pd中的一种或者多种的任意比例的组合物。
进一步的，步骤六中所述的金属催化剂喷涂的厚度为1-3微米。
石墨烯作为一种现代工业广泛运用的原材料，因其具有良好的力学、电学特性而受到广泛关注。事实上，石墨烯的具有很大的比表面积，因而呈现出很强的吸附性能。在本发明中，石墨烯作为催化板主体结构材料，更重要的是，其优异的吸附特性有助于吸附汽车尾气中的氮氧化物气体。金属氧化物既是一种化学反应催化剂，又是金属催化剂的载体。首先，金属氧化物其本身就能催化氮氧化物的化学反应，促进氮氧化物与尾气中存在的还原性气体反应。另一方面，金属氧化物又可以作金属催化剂的载体。多微孔、高面积比的催化板结构则增加了催化板的表面积，有利于汽车尾气与催化板表面充分接触，提高化学反应效率。加热导线使石墨烯发热，作为加热源的石墨烯在原位金属氧化物催化下快速促进氮氧化物、氨等还原为氮(N2)和水(H2O)。本发明所提供的高效净化汽车尾气的石墨烯催化板可以作为一种单独附加的排气系统零部件使用，也可以作为一种排气系统的材料。其显著的优势是通过联通加热导线使石墨烯发热。
本发明一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板及制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、提供的石墨烯催化板，热导线使石墨烯发热，作为加热源的石墨烯在原位金属氧化物催化下快速促进氮氧化物、氨等还原为氮(N2) 和水(H2O)，是汽车尾气的净化更彻底。
2、提供的石墨烯催化板，石墨烯作为催化板主体结构材料，其优异的吸附特性有助于吸附汽车尾气中的氮氧化物气体。金属氧化物既是一种化学反应催化剂，又是金属催化剂的载体。金属氧化物其本身就能催化氮氧化物的化学反应，促进氮氧化物与尾气中存在的还原性气体反应。另一方面，金属氧化物又可以作金属催化剂的载体。多微孔、高面积比的催化板结构则增加了催化板的表面积，有利于汽车尾气与催化板表面充分接触，提高化学反应效率。
3、本发明通过发泡使得催化板形成显著的微孔，提升了催化效能。
4、本发明制备方法工艺易控，实现批量稳定的生产，适合于规模化生产。
具体实施方式
通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的1/2，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物氧化铈、氧化铝混合物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；石墨烯与金属氧化物的质量比为1:1；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.01%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结1.5小时，氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，以达到增加石墨烯板孔隙度和微细开孔的目的，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂Pt粉末；喷涂的厚度为1微米，布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
实施例2
一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的2/3，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物氧化铝、氧化镧、氧化钒混合物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；石墨烯与金属氧化物的质量比为1:2；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.02%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结2小时，氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，以达到增加石墨烯板孔隙度和微细开孔的目的，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂Pd粉末；喷涂的厚度为3微米，布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
实施例3
一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的1/2，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物二氧化硅与氧化钒按照质量比5:1的混合物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；石墨烯与金属氧化物的质量比为1:5；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.04%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结2小时，氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，以达到增加石墨烯板孔隙度和微细开孔的目的，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂Au粉末；喷涂的厚度为1微米，布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
实施例4
一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的2/3，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物氧化铈、氧化钒中的混合物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；石墨烯与金属氧化物的质量比为1:6；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.05%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结2小时，氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，以达到增加石墨烯板孔隙度和微细开孔的目的，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂Pt粉末；喷涂的厚度为1微米，布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
实施例5
一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的1/2，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物氧化铈、氧化铝、二氧化硅的混合物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；石墨烯与金属氧化物的质量比为1:8；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.01%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结2小时，氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，以达到增加石墨烯板孔隙度和微细开孔的目的，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂Pt粉末；喷涂的厚度为3微米，布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
对比例1
一种汽车尾气的催化板的制备方法，包括以下步骤：
配制聚乙烯醇水溶液，加入微细化的金属氧化物氧化铈、氧化铝、二氧化硅的混合物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物混合浆料；
混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.01%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结2小时，氢化钛起到发泡作用，能够扩大浆体体积，得到多孔的石墨烯板坯体；
在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂Pt粉末；喷涂的厚度为3微米，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
实验对比：
将实施例1-5、对比例1得到的催化剂板用于模拟NOx 转化率的测试，其中气体组成为：300ppmNO、200ppm NO2、500ppm NH3，其余为O2、H2O 和N2。测试板连接加热导线，气流速度为0.2m/s，对冲催化板，转化效率如表1所示。
表1：

Claims (6)

1.一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板，特征是一种多微孔、高面积比的板状结构；催化板的主体结构由金属氧化物与石墨烯经过制浆、发泡定型、烧结制备；在催化板的表面，还喷涂有金属催化剂，并设置有加热导线。
2.一种制备如权利要求1所述的高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的方法，包括以下步骤：
步骤一：将石墨烯与水按照1:3的体积比搅拌混匀，在100℃的条件下加热、机械匀速搅拌30分钟得到分散液；
步骤二：在步骤一分散液中加入浓度为30%的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液体积为步骤一制备完成的分散液体积的1/2~2/3，混合搅拌均匀；
步骤三：在步骤二得到的液体中加入微细化的金属氧化物，充分搅拌均匀，制得金属氧化物、石墨烯与聚乙烯醇混合浆料；
步骤四：在步骤三制得的混合浆料中加入氢化钛，氢化钛用量为浆料质量的0.01-0.05%，浆料持续搅拌，直至各组分完全均匀；
步骤五：将完全混合的浆料放入模具中制坯，干燥定型，在高温下烧结1.5-2小时，得到多孔的石墨烯板坯体；
步骤六：在烧结完成的坯体表层喷涂金属催化剂粉末；布置加热导线，得到高效净化汽车尾气的石墨烯催化板。
3.根据权利要求2所述一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，其特征在于：所述的金属氧化物是氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氧化镧、氧化钒中的一种或者多种的任意比例混合物。
4.根据权利要求2所述一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的金属氧化物用量是：石墨烯与金属氧化物的质量比为1:1~8。
5.根据权利要求2所述一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，其特征在于：步骤六中所述的金属催化剂为Pt、Au、Pd中的一种或者多种的任意比例的组合物。
6.根据权利要求2所述一种高效净化汽车尾气的石墨烯催化板的制备方法，其特征在于：步骤六中所述的金属催化剂喷涂的厚度为1-3微米。
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