CN109999796A - 一种Ce掺杂LaMnO3催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于降解VOC领域，是一种直接Z‑型La1‑xCexMnO3催化剂用于光热降解甲苯。本发明采用溶胶‑凝胶法制备了一系列Ce掺杂LaMnO3（La1‑xCexMnO3），并对其进行气态甲苯氧化测试，以研究LaMnO3中铈掺杂对光热条件下活性的影响。Ce掺杂的LaMnO3可以形成La1‑xCexMnO3和CeO2的共存，CeO2/La1‑xCexMnO3在光热条件下的反应遵循Mars‑van Krevelen氧化还原循环机制，制备的CeO2/La1‑xCexMnO3可以形成高效的Z‑Scheme异质结，可以提高催化剂在高温区域的电子转移速度。而且，在光热催化降解中，晶格氧是最重要的活性物质，少量的铈掺杂可以增加钙钛矿的晶格氧含量并增加反应活性。Ce掺杂的LaMnO3钙钛矿增强了光和热的活性，是一种很有前景的催化剂。
Description
技术领域
本发明属于催化降解挥发性有机化合物领域，尤其是一种直接z-型异质结催化剂光热降解甲苯。
背景技术
挥发性有机化合物（VOCs）是具有高蒸气压和低水溶性的有机气体。由于挥发性有机化合物可能是形成臭氧和光化学烟雾的前体，因此挥发性有机化合物被认为是空气污染的主要原因之一。在最常见和有毒的非卤化化合物中，甲醛，苯，一氧化碳，甲苯，丙烯，苯酚，丙酮和苯乙烯值得关注。其中，大量用作溶剂的甲苯和高辛烷值汽油添加剂是有机化学品的重要原料。一系列衍生自甲苯的中间体，广泛用于生产精细化学品如染料，药物，杀虫剂，炸药，助剂，香料等，也用于合成材料工业。不幸的是，在这些合成材料的应用和后期阶段，甲苯不可避免地释放到大气中，人长时间暴露在这种环境中会引起严重的神经毒性，血液学，细胞遗传学和致癌作用。因此，去除挥发性有机化合物如甲苯对环境和人类健康保护至关重要。
发明内容
本发明针对现有技术中存在催化剂载体价格昂贵，反应温度高，催化剂降解VOC性能差，提供一种Ce掺杂LaMnO3型钙钛矿型催化剂及其制备方法。本发明制备的催化剂制备工艺简单，低温活性较好，同时具备优异的脱VOCS性能。此外本发明所使用的催化剂活性好，价格低廉，在我国具有丰富的储存量，可以大规模用作催化剂的廉价载体。
进一步，所述催化剂中的C4H6MnO4•4H2O和La（NO3）3的摩尔比为1：1。
上述的LaMnO3催化剂制备方法，步骤如下：
（1）精确称量1.0 mmol La（NO3）3•xH2O，1.0 mmol C4H6MnO4•4H2O，2.0 mmol C6H8O7•H2O作为络合剂，1.0 mmol聚乙二醇作为分散剂，将其溶解在乙醇中并搅拌1小时。
（2）将所得混合物置于80 ℃烘箱中以形成干燥凝胶，然后将其转移至马弗炉中并在700 ℃下煅烧7小时以获得纯LaMnO3钙钛矿。
（3）将（2）所得LaMnO3钙钛矿研磨过筛40～60目备用。
本发明的有益效果为：
（1）在光热催化降解中，晶格氧是最重要的活性物质，少量的铈掺杂可以增加钙钛矿的晶格氧含量并增加反应活性。总之，Ce掺杂的LaMnO3钙钛矿增强了光和热的活性，是一种很有前景的催化剂。
（2）通过合理构建的Z-Scheme异质结，有效地分离了光诱导电子-空穴对，提高了低温区的氧化还原能力和电子传输速率。
附图说明
图1为LaMnO3催化剂的XRD图。
附图说明
图2为降解VOC性能评价试验数据图。图2表明Ce掺杂La1-xCexMnO3催化剂具有较低的活性温度，较好的降解VOC性能，尤其是La0.75Ce0.25MnO3和LaMnO3具有优异的降解VOC性能。
具体实施方式
下面结合实施例和比较例，具体说明一种Ce掺杂LaMnO3催化剂及其制备方法。
实施例1
步骤（1）：称取约2.4509 g乙酸锰，4.2028 g柠檬酸，2.4369 g硝酸镧，6 g聚乙二醇，1.0856 g硝酸铈加入烧杯中，溶于乙醇，利用磁力搅拌器搅拌1个小时。
步骤（ 2）：将步骤（1）所得产物置于恒温水浴锅中70度烘干，至凝胶状，将所得凝胶置于坩埚中，马弗炉700度焙烧7个小时。
步骤（3）：将步骤（2）所得Ce掺杂（La0.75Ce0.25MnO3）研磨过筛40-60目备用。
实施例2
步骤（1）：称取约2.4509 g乙酸锰，4.2028 g柠檬酸，3.2492 g硝酸镧，6 g聚乙二醇，加入烧杯中，溶于乙醇，利用磁力搅拌器搅拌1个小时。
步骤（2）：将步骤（1）所得产物置于恒温水浴锅中70度烘干，至凝胶状，将所得凝胶置于坩埚中，马弗炉700度焙烧7个小时。
步骤（3）：将步骤（2）所得LaMnO3研磨过筛40-60目备用。
比较例1
在比较例1中改变实施例2中硝酸镧和硝酸铈的摩尔配比，具体操作步骤如下：
步骤（1）：称取约2.4509 g乙酸锰，4.2028 g柠檬酸，1.6246 g硝酸镧，6 g聚乙二醇，2.1711 g硝酸铈加入烧杯中，溶于乙醇，利用磁力搅拌器搅拌1个小时。
步骤（2）：将步骤（1）所得产物置于恒温水浴锅中70度烘干，至凝胶状，将所得凝胶置于坩埚中，马弗炉700度焙烧7个小时。
步骤（3）：将步骤（2）所得La0.5Ce0.5MnO3研磨过筛40-60目备用。
比较例2
比较例2中将在比较例1中改变硝酸镧和硝酸铈的摩尔配比，具体操作步如下：
步骤（1）：称取约2.4509 g乙酸锰，4.2028 g柠檬酸，1.6246 g硝酸镧，6 g聚乙二醇，2.1711 g硝酸铈加入烧杯中，溶于乙醇，利用磁力搅拌器搅拌1个小时。
步骤（2）：将步骤（1）所得产物置于恒温水浴锅中70度烘干，至凝胶状，将所得凝胶置于坩埚中，马弗炉700度焙烧7个小时。
步骤（3）：将步骤（2）所得La0.25Ce0.75MnO3研磨过筛40-60目备用。
比较例3
比较例3中将在改变硝酸铈的摩尔配比，具体操作步如下：
步骤（1）：称取约2.4509 g乙酸锰，4.2028 g柠檬酸，6 g聚乙二醇，4.3422 g硝酸铈加入烧杯中，溶于乙醇，利用磁力搅拌器搅拌1个小时。
步骤（2）：将步骤（1）所得产物置于恒温水浴锅中70度烘干，至凝胶状，将所得凝胶置于坩埚中，马弗炉700度焙烧7个小时。
步骤（3）：将步骤（2）所得CeMnO3研磨过筛40-60目备用。
图1显示了以不同比例制备的Ce掺杂的La1-xCexMnO3的XRD图案。可以将在峰2θ=22.90°，32.61°，0.22°，46.79°，52.71°，58.19°，68.32°，77.78°归属于LaMnO3钙钛矿（JCPDS 75-0440）的（100），（110），（111），（200），（210），（211），（220）和（310）平面。随着Ce的加入，LaMnO3的强度减弱，2θ= 32.61°的主峰向左移动。这是因为Ce4 +的半径大于La3 +的半径，Ce可能扩散到LaMnO3的晶格中，导致晶格膨胀和变形。值得注意的是，在La1-xCexMnO3催化剂中可以清楚地观察到CeO2（JCPDS 75-0120）在2θ= 28.55°处的特征峰，随着Ce含量的增加，峰的强度变得更强，这表明将一部分Ce掺杂到钙钛矿晶格中，另一部分CeO2颗粒在钙钛矿中形成，形成CeO2 / La1-xCexMnO3共存材料。当Ce完全取代La时，钙钛矿结构消失，CeO2和Mn3O4的涂层结构整体形成，这意味着Ce不形成CeMnO3结构。
一种Ce掺杂LaMnO3催化剂降解VOC催化性能测试
本发明在光热催化两用固定床（湖南华思）上进行。使用内径为1.5 mL的玻璃石英管作为催化剂反应器，并在玻璃管内衬石英砂基材。活性试验中，将约1 mL催化剂置于湖南华思仪器有限公司的固定床石英管反应器，使用高精度质量流量计精确控制入口气体流量。以N2为载气，气体组成为：甲苯为1000 ppm，O 2为20 vol％，气体空速为18000 h -1。试验前将灯连续通风30分钟，使催化剂吸附饱和，从而消除VOC吸附引起的浓度降低。在测试期间，打开Xe灯并编程温度，并使用光电离子气体传感器获得准确的入口VOC浓度，记录为[VOC]进 。然后，逐渐升高温度并检测出口处的VOC浓度，记录为[VOC]出。以20 ℃的间隔记录出口处的甲苯浓度，使用红外传感器检测出口的CO 2浓度。
Claims (6)
1.一种LaMnO3钙钛矿型催化剂，其特征在于；通过溶胶凝胶法制备，具有良好的光热协同作用，是一种很有前景的催化剂。
2.根据权利要求1所述的LaMnO3钙钛矿型催化剂，其特征在于：将具有较大电子半径的Ce元素掺杂到LaMnO3催化剂中，所述催化剂通过铈掺杂暴露更多的晶格氧含量，在更高温度范围内增强了氧化性能。
3.根据权利要求1或2所述的Ce掺杂LaMnO3（La1-xCexMnO3）钙钛矿型催化剂，其特征在于：Ce（NO3）3和La（NO3）3的摩尔比为3：1。
4.根据权利要求1~3任一项所述Ce掺杂LaMnO3（La1-xCexMnO3）钙钛矿型催化剂的制备方法，其特征在于：步骤如下：
精确称量1.0 mmol La（NO3）3•xH2O，1.0 mmol C4H6MnO4•4H2O，2.0 mmol C6H8O7•H2O作为络合剂，1.0 mmol聚乙二醇作为分散剂，将其溶解在乙醇中并搅拌1小时。
5.将所得混合物置于80 ℃烘箱中以形成干燥凝胶，然后将其转移至马弗炉中并在700℃下煅烧7小时以获得纯LaMnO3钙钛矿。
6.根据权利要求4所述的一系列Ce掺杂LaMnO3（La1-xCexMnO3）催化剂的制备方法，其特征在于：一系列La1-xCexMnO3的制备条件与LaMnO3相同，仅改变原料中Ce（NO3）3和La（NO3）3的摩尔比。
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