CN107930663A - 一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料，及其制备工艺，其特征在于，以木材块样本、硅粉末、Al2(SO4)3、Na2SO4、CeO2、氧化石墨烯、明矾、Na2SiO3、海藻酸钠、片状氧化铝、Y2O3、ZrO2、碳化硼、聚乙烯醇、硝酸镧、硝酸锶、柠檬酸、高铁酸钾、硫酸锰等为原料。SiC陶瓷具有三维连通网状结构，可以作为催化剂载体，制得了富集CeO2/石墨烯催化剂的碳样品；通过溶胶凝胶法制备了稀土类钙钛矿型催化剂；制备的铁掺杂氧化锰催化剂具有良好的催化性能；以片状氧化铝和ZrO2为增韧相，得到一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料。

Description

一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车尾气净化领域，具体涉及一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料，及其制备工艺。
背景技术
随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国汽车化进程不断加快，随着汽车使用量的快速增长，导致了大量有害尾气（碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物等）进入大气，对大气的污染十分严重，同时也极大地危害着我们的健康。因此，控制汽车尾气中有害气体的排放量和治理汽车尾气污染已成为当前紧迫的任务。目前，汽车尾气的处理方法主要是催化净化法，这就需要用到大量的催化剂。
王博雅在硕士论文《多孔碳化硅陶瓷表面改性及其烟气过滤性能研究》中，利用木材的天然多孔结构，以榉木为模板采用液态硅浸渍的独特方法制备生物形态多孔SiC陶瓷粉末，实验中将木材块样本（10mm×10mm×50mm）在105℃下烘干24h，然后在800℃氮气流保护下热解4h，制备得到碳模板样品，再将其置于硅粉末中在1550℃加热1.5h，在氮气氛围中形成SiC，最后在熔炉中加热到1700℃，用机械真空泵将剩余硅抽离，最后在熔炉冷却至室温时即得生物形态多孔SiC陶瓷粉末。
又采用熔盐合成法对多孔SiC陶瓷表面进行改性处理，制备了纤毛状SiC/莫来石晶须，莫来石晶须的生长增加了SiC孔隙内壁的粗糙度，有利于微小颗粒物的过滤分离。实验时将得到的生物形态SiC陶瓷样品平铺在氧化铝坩埚底部，再将研磨好的Al2(SO4)3 /Na2SO4混合粉末覆盖在上面，然后放入马弗炉中缓慢加热至900℃保温2h，自然冷却到室温，随后样品在蒸馏水中煮沸去除未反应的硫酸盐，过滤、干燥后得到具有生物形态SiC-莫来石陶瓷粉末。改性材料具有良好的过滤性能，但是对汽车尾气没有催化效果。
本发明在此基础上以明矾为絮凝剂、Na2SiO3为黏合剂、海藻酸钠为增稠剂，促进催化剂的富集，制得了富集氧化铈/石墨烯催化剂的碳样品；通过溶胶凝胶法制备了稀土类钙钛矿型催化剂；制备了具有良好催化性能的铁掺杂氧化锰催化剂；由于稀土元素和过渡金属元素的复合掺杂，以片状氧化铝和ZrO2为增韧相，从而得到一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料及其制备工艺，依照该工艺制作的汽车尾气净化材料过滤性能良好，对汽车尾气的催化性能优良，而且韧性良好。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
木材块样本(10mm×10mm×50mm) 26-38，硅粉末8-15，Al2(SO4)3 10-18，Na2SO4 6-10，CeO2 6-8，氧化石墨烯6-9，明矾1-2，Na2SiO31-2，海藻酸钠1-3，片状氧化铝2-4，Y2O3 2-6，ZrO2 1-5，碳化硼1-2，聚乙烯醇1-3，硝酸镧4-7，硝酸锶3-6，柠檬酸1-4，高铁酸钾2-4，硫酸锰2-6，HCl溶液、硫酸、蒸馏水、乙醇适量。
一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
a. 将木材块样本在100-120℃下烘干20-24h，然后在800-900℃氮气流保护
下热解4-6h，得多孔碳样品，再置于HCl溶液中浸泡清孔，待用；
b. 将CeO2与氧化石墨烯混合超声30-50min后，加入a中所得物料、明矾、Na2SiO3、海藻酸钠，磁力搅拌2-3h后，将混合物放入反应釜中于140-150℃恒温5-8h，然后自然冷却至室温、离心分离、水洗醇洗，再于60-80℃真空干燥10-12h，得富集CeO2/石墨烯催化剂的碳样品；
c. 将b中所得物料研磨后置于硅粉末中，在1400-1600℃加热1-2h，在氮气氛围中部分形成SiC，冷却至室温，得富集催化剂的多孔SiC陶瓷粉末；
d. 将片状氧化铝、Y2O3、ZrO2、碳化硼、聚乙烯醇和c中所得SiC粉混合，加入溶剂乙醇，湿法球磨2-4h，于50-70℃烘干，研磨粉碎，在100-300℃固化，于1700-2100℃烧结1-3h，得增韧型SiC陶瓷；
e. 将硝酸镧、硝酸锶和柠檬酸溶于水中，在40-50℃搅拌混合均匀，加热至90-180℃蒸干水分，在氮气保护下，升温至380-420℃，恒温煅烧2-4h，自然冷却至室温，粉碎得稀土类钙钛矿型催化剂；
f. 将高铁酸钾与硫酸锰混合，加硫酸调溶液pH为1-2，在100-160℃下水热反应8-10h，所得产物经过滤、洗涤、干燥得铁掺杂的氧化锰催化剂；
g. 将d中所得物料平铺在氧化铝坩埚底部，用研磨好的Al2(SO4)3 / Na2SO4混合粉末将其覆盖，再加入e、f中所得样品，然后放入马弗炉中升温至800-900℃保温2-4h，自然冷却到室温，得富集催化剂的陶瓷粉末，即一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料。
本发明的反应机理如下：
（1）利用木材的天然多孔结构，在800℃碳化产生多孔碳，经过长时间的液相渗硅和气相排硅多孔碳转化成为多孔SiC，以碳为模板采用液态硅浸渍的独特方法制备生物形态多孔SiC陶瓷，所得产物性能优异，具有良好的孔隙结构，在节能减排方面具有很大优势。
（2）CeO2随环境氧分压和温度的变化会形成一些氧空位，具有优异的储氧和释放氧特性；石墨烯具有优异的电学性能，它是零带隙半导体材料，具有独特的载流子特性，对催化剂的光生电子有极好的传输特性；采用简易的水热方法制备了氧化铈/石墨烯复合光催化剂。
（3）以明矾为絮凝剂、Na2SiO3为黏合剂、海藻酸钠为增稠剂，促进催化剂的富集，即得到富含氧化铈/石墨烯催化剂的碳样品。
（4）以片状氧化铝和ZrO2为增韧相，Y2O3为烧结助剂，乙醇为溶剂，通过掺杂少量的增韧相使得碳化硅陶瓷的断裂韧性得以提高。
（5）通过溶胶凝胶法制备了稀土类钙钛矿型催化剂，实验操作简单，能有效控制各组分的含量，采用的原材料为普通的硝酸盐，成本低廉，经过高温煅烧制得的催化剂活性高。
（6）采用高铁酸钾作为氧化剂，能够使得铁更均匀的掺杂至二氧化锰当中，一步法制备原位掺杂铁的氧化锰，具有方法简单、控制方便、产量大、易于工业化等优点，制备的铁掺杂氧化锰催化剂的催化性能良好。
（7）利用熔盐化学反应在SiC陶瓷孔隙中生长出莫来石，制备得到通透性良好且捕集效率高的SiC/莫来石材料，改性后由于莫来石晶须的生长增加了SiC孔隙内壁的粗糙度，有利于微小颗粒物的过滤分离。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例
一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料，由下述重量份(g)的原料制得：
木材块样本(10mm×10mm×50mm) 30，硅粉末8，Al2(SO4)3 10，Na2SO4 6，CeO2 6，氧化石墨烯7，明矾1，Na2SiO31，海藻酸钠1，片状氧化铝2，Y2O3 3，ZrO2 1，碳化硼2，聚乙烯醇3，硝酸镧4，硝酸锶3，柠檬酸2，高铁酸钾3，硫酸锰4，HCl溶液、硫酸、蒸馏水、乙醇适量。
一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
a. 将木材块样本在100-105℃下烘干20h，然后在800-850℃氮气流保护下热解4h，得多孔碳样品，再置于HCl溶液中浸泡清孔，待用；
b. 将CeO2与氧化石墨烯混合超声30min后，加入a中所得物料、明矾、Na2SiO3、海藻酸钠，磁力搅拌2h后，将混合物放入反应釜中于140-145℃恒温5h，然后自然冷却至室温、离心分离、水洗醇洗，再于60-70℃真空干燥10h，得富集CeO2/石墨烯催化剂的碳样品；
c. 将b中所得物料研磨后置于硅粉末中，在1500-1600℃加热1h，在氮气氛围中部分碳样品和硅粉末形成SiC，冷却至室温，得富集催化剂的多孔SiC陶瓷粉末；
d. 将片状氧化铝、Y2O3、ZrO2、碳化硼、聚乙烯醇和c中所得SiC粉混合，加入溶剂乙醇，湿法球磨2-43h，于65-70℃烘干，研磨粉碎，在280-300℃固化，于2150-2100℃烧结2h，得增韧型SiC陶瓷；
e. 将硝酸镧、硝酸锶和柠檬酸溶于水中，在40-45℃搅拌混合均匀，加热至90-120℃蒸干水分，在氮气保护下，升温至380-400℃，恒温煅烧2h，自然冷却至室温，粉碎得稀土类钙钛矿型催化剂；
f. 将高铁酸钾与硫酸锰混合，加硫酸调溶液pH为1-2，在100-120℃下水热反应8h，所得产物经过滤、洗涤、干燥得铁掺杂的氧化锰催化剂；
g. 将d中所得物料平铺在氧化铝坩埚底部，用研磨好的Al2(SO4)3 / Na2SO4混合粉末将其覆盖，再加入e、f中所得样品，然后放入马弗炉中升温至800-850℃保温2h，自然冷却到室温，得富集催化剂的陶瓷粉末，即一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料。
上述实施例制备的增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料的性能检测结果如下所示：
过滤汽车尾气PM2.5值为85，催化剂对NO、CO的转化率可达83％，维氏硬度可达25GPa，抗弯强度可达585MPa，断裂韧性可达6MPa m1/2。用该方法制备的SiC陶瓷汽车尾气净化材料具有良好的催化性能。

Claims (2)

1.一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得：
木材块样本(10mm×10mm×50mm) 26-38，硅粉末8-15，Al2(SO4)3 10-18，Na2SO4 6-10，CeO2 6-8，氧化石墨烯6-9，明矾1-2，Na2SiO31-2，海藻酸钠1-3，片状氧化铝2-4，Y2O3 2-6，ZrO2 1-5，碳化硼1-2，聚乙烯醇1-3，硝酸镧4-7，硝酸锶3-6，柠檬酸1-4，高铁酸钾2-4，硫酸锰2-6，HCl溶液、硫酸、蒸馏水、乙醇适量。
2.根据权利要求1所述的一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
将木材块样本在100-120℃下烘干20-24h，然后在800-900℃氮气流保护
下热解4-6h，得多孔碳样品，再置于HCl溶液中浸泡清孔，待用；
b. 将CeO2与氧化石墨烯混合超声30-50min后，加入a中所得物料、明矾、Na2SiO3、海藻酸钠，磁力搅拌2-3h后，将混合物放入反应釜中于140-150℃恒温5-8h，然后自然冷却至室温、离心分离、水洗醇洗，再于60-80℃真空干燥10-12h，得富集CeO2/石墨烯催化剂的碳样品；
c. 将b中所得物料研磨后置于硅粉末中，在1400-1600℃加热1-2h，在氮气氛围中部分形成SiC，冷却至室温，得富集催化剂的多孔SiC陶瓷粉末；
d. 将片状氧化铝、Y2O3、ZrO2、碳化硼、聚乙烯醇和c中所得SiC粉混合，加入溶剂乙醇，湿法球磨2-4h，于50-70℃烘干，研磨粉碎，在100-300℃固化，于1700-2100℃烧结1-3h，得增韧型SiC陶瓷；
e. 将硝酸镧、硝酸锶和柠檬酸溶于水中，在40-50℃搅拌混合均匀，加热至90-180℃蒸干水分，在氮气保护下，升温至380-420℃，恒温煅烧2-4h，自然冷却至室温，粉碎得稀土类钙钛矿型催化剂；
f. 将高铁酸钾与硫酸锰混合，加硫酸调溶液pH为1-2，在100-160℃下水热反应8-10h，所得产物经过滤、洗涤、干燥得铁掺杂的氧化锰催化剂；
g. 将d中所得物料平铺在氧化铝坩埚底部，用研磨好的Al2(SO4)3 / Na2SO4混合粉末将其覆盖，再加入e、f中所得样品，然后放入马弗炉中升温至800-900℃保温2-4h，自然冷却到室温，得富集催化剂的陶瓷粉末，即一种增韧型SiC陶瓷汽车尾气净化材料。
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