CN110302803A - 用于VOCs催化燃烧的复合催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于VOCs催化燃烧的复合催化剂的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1：清洗蜂窝陶瓷基底；步骤S2：在蜂窝陶瓷基底上形成TiO2晶种纳米粒子；步骤S3：在蜂窝陶瓷基底上生长TiO2纳米阵列；步骤S4：在已经生长有TiO2纳米阵列的蜂窝陶瓷基底上负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒；步骤S5：在已经生长有TiO2纳米阵列且负载有贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒的蜂窝陶瓷基底上负载钙钛矿氧化物LaxSr1‑xCoO3涂层；以及步骤S6：在钙钛矿氧化物LaxSr1‑xCoO3涂层进一步负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒。该制备方法，其操作简单，便于产业化。

Description

用于VOCs催化燃烧的复合催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及用于VOCs催化燃烧的复合催化剂及其制备方法。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)指在室温下饱和蒸气压超过70.91Pa或沸点小于260℃的有机物，如芳香烃、脂肪烃、卤代烃、含氧烃等。大气中的VOCs污染物主要来自于石油化工、制药、喷涂等工业排放以及机动车尾气排放，室内的VOCs污染物则主要来自于室内办公用品、家居装饰材料以及室内家具等；VOCs污染物不仅会直接降低空气质量，更会参与到光化学烟雾的形成，从而造成严重的环境负担。近年来国家对于大气污染问题愈加重视，生态环境部也在加快《挥发性有机物无组织排放控制标准》等法律法规的完善与出台。VOCs排放限值的愈加严格也促进了的VOC消除技术的高速发展。
众多的VOCs消除技术中，催化燃烧技术已成为末端治理VOCs途径中最为主流的发展方向。铂、钯催化剂活性组分目前是研究以及商业化最为广泛的贵金属催化剂。近几年由于高负载量贵金属催化剂成本的逐年攀升，使得研究者们把目光聚焦在了高性能低负载量贵金属催化剂的研制，纳米技术使得这一研究得到迅速发展。在有序生长的纳米阵列表面负载低含量贵金属能够实现较为优越的VOCs催化活性，与传统的高负载量贵金属催化剂活性相当，这对于降低催化剂的成本以及后续的商业化是极其重要的；但是这种纳米阵列担载的低含量贵金属催化剂所暴露的活性位点有限，因此其在高温下表现出来的VOCs催化活性稍显不足，难以迅速达到100％的转化率；另一方面贵金属催化剂普遍存在的一个问题是容易中毒，而且在高温段易烧结，这就造成了一定程度上VOCs催化氧化在高温段催化活性的降低。
因此，确有必要提供一种用于VOCs催化燃烧的复合催化剂及其制备方法，能够保持贵金属负载量在可控范围的同时，采用合理的调控合成策略来提高催化剂表面活性位点的数量以及高温稳定性，从而最快地达到VOCs的完全消除。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种用于VOCs催化燃烧的复合催化剂的制备方法，其操作简单，便于产业化。
本发明提供用于VOCs催化燃烧的复合催化剂的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1：清洗蜂窝陶瓷基底；步骤S2：在蜂窝陶瓷基底上形成TiO2晶种纳米粒子；步骤S3：在蜂窝陶瓷基底上生长TiO2纳米阵列；步骤S4：在已经生长有TiO2纳米阵列的蜂窝陶瓷基底上负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒；步骤S5：在已经生长有TiO2纳米阵列且负载有贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒的蜂窝陶瓷基底上负载钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层；以及步骤S6：在钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层进一步负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒。
本发明提供用于VOCs催化燃烧的复合催化剂的制备方法的有益效果是：采用的是水热法和浸渍法，制备过程简单，便于操作与产业化。
本发明的发明目的是提供一种用于VOCs催化燃烧的复合催化剂，其提高催化剂的整体活性。
本发明提供一种用于VOCs催化燃烧的复合催化剂，其特征在于包括：蜂窝陶瓷基底，生长在蜂窝陶瓷基底上的TiO2纳米阵列，TiO2纳米阵列上依次负载有第一层贵金属颗粒、第二层钙钛矿LaxSr1-xCoO3涂层以及第三层贵金属颗粒。
本发明提供的用于VOCs催化燃烧的复合催化剂，具有如下有益效果：第一、其提高贵金属颗粒的稳定性；第二、贵金属/钙钛矿/贵金属之间的双界面效应能够进一步提高催化剂的整体活性。
附图说明
图1示出了复合催化剂的制备方法的流程图
具体实施方式
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于VOCs催化燃烧的高稳定性低担载量贵金属分层负载的钙钛矿复合催化剂及其制备方法。本技术采用商用堇青石蜂窝陶瓷作为主载体，在载体表面生长致密的TiO2纳米棒阵列后，负载第一层低含量Pt纳米颗粒；然后在TiO2/Pt表面涂覆一层钙钛矿La0.8Sr0.2CoO3涂层，最后再在表面负载第二层低含量Pt纳米颗粒，此方法同时提高了催化剂的整体稳定性与高温活性。
本发明提供一种用于VOCs催化燃烧的高稳定性低担载量贵金属分层负载的钙钛矿复合催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：清洗蜂窝陶瓷基底；
步骤S2：在蜂窝陶瓷基底上形成TiO2晶种纳米粒子；
步骤S3：在蜂窝陶瓷基底上生长TiO2纳米阵列；
步骤S4：在已经生长有TiO2纳米阵列的蜂窝陶瓷基底上负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒；
步骤S5：在已经生长有TiO2纳米阵列且负载有贵金属铂Pt或者钯Pd的蜂窝陶瓷基底上负载钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层；以及
步骤S6：在钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层进一步负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒。
在步骤S1中，所述蜂窝陶瓷基底可以为堇青石蜂窝陶瓷基底、碳化硅或者莫来石蜂窝陶瓷基底。
所述步骤S1包括以下步骤：
步骤S11：将蜂窝陶瓷基底依次用去离子水、己烷、丙酮、乙醇超声清洗，每种溶剂的超声清洗时间为10分钟；以及
步骤S12：讲蜂窝陶瓷基底置于80℃的恒温箱中干燥2小时。
步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：配置TiO2晶种溶液，具体为：首先量取1000mL无水乙醇、倒入烧杯中；其次配置0.01M的稀硝酸溶液，将1.8mL的稀硝酸加入到上述1000mL无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌均匀；最后称取7.1g的钛酸异丙酯加入到乙醇中，待其均匀溶解后得到浓度为25mM的TiO2晶种前驱体溶液；
步骤S22：浸渍涂覆，具体为：首先将步骤S1清洗干净的蜂窝陶瓷基底浸渍在步骤S21中配制的TiO2晶种溶液中超声1min，取出后用气流吹掉通道中的残留溶液；其次将蜂窝陶瓷基底在微波炉中加热2min，最后在200℃的恒温箱中加热10min。
步骤S23：形成TiO2晶种纳米粒子，具体为：将浸渍涂覆后的蜂窝陶瓷基底在500℃的马弗炉中退火处理1小时，得到TiO2晶种纳米粒子涂层。
可以理解地，所述步骤S22可以重复多次，优选地2次，以确保足够的晶种纳米粒子吸附。
步骤S3在蜂窝陶瓷基底上生长TiO2纳米阵列，其包括以下步骤：
步骤S31：配置反应溶液，具体为：量取500mL的丁酮，然后依次加入50mL体积分数为37％的盐酸，60mL钛酸四丁酯，5mL四氯化钛(1M TiCl4/甲苯)，搅拌1min使其溶解均匀；
步骤S32：生长纳米阵列，具体为：将3inch x 3inch x 2inch尺寸大小的蜂窝陶瓷基底浸渍到上述步骤S31中的溶液，底部垫一个小块的蜂窝陶瓷使蜂窝陶瓷基底与反应器底部保持一定的距离；然后将反应器密封，加热到150℃，持续反应10h；
步骤S33：清洗蜂窝陶瓷：将步骤S32中的蜂窝陶瓷基底取出，将其在去离子水中超声清洗多次，最后将蜂窝陶瓷基底在500℃的马弗炉中加热2h。
步骤S4负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒，其包括以下步骤：
步骤S41：配置贵金属前驱体溶液，具体为：分别量取一定质量的四氨合硝酸铂溶解到去离子水中形成贵金属前驱体溶液，超声该贵金属前驱体溶液充分溶解，铂Pt含量为0.2g/L。蜂窝陶瓷基底与贵金属前驱体溶液的体积比为1:5；
步骤S42：浸渍涂覆，具体为：将蜂窝陶瓷基底浸渍到贵金属前驱体溶液中，浸渍1min；然后将整块的蜂窝陶瓷基底取出来，用气流吹出蜂窝陶瓷基底的孔道中残留的溶液。然后将蜂窝陶瓷基底放入到微波炉中加热，直至其完全干燥；最后将蜂窝陶瓷基底放入150℃的烘箱中加热5min；重复以上过程，直至贵金属前驱体溶液消耗完并且全部负载到蜂窝陶瓷基底上，贵金属负载率为0.2％；以及
步骤S43：最后将蜂窝陶瓷基底在500℃中退火5h，此过程中升温速率为5℃/min。
在步骤S5中，所述La0.8Sr0.2CoO3可以用其他组分的LaxSr1-xCoO3例如La0.6Sr0.4CoO3，La0.4Sr0.6CoO3，La0.2Sr0.8CoO3等来代替。
步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：配置La0.8Sr0.2CoO3钙钛矿溶胶，具体为：称取3.119g(9.6mmol)的硝酸镧(La(NO3)3·nH2O)，0.508g(2.4mmol)的硝酸锶(Sr(NO3)2)以及3.493g(12mmol)的硝酸亚钴(Co(NO3)2·2H2O)，溶解于60ml乙二醇与40ml甲醇的混合溶剂中，超声使其完全溶解分散，然后在室温下连续搅拌4h，最后静置24h得到钙钛矿前驱体溶胶；
步骤S52：浸渍涂覆，具体为：将生长有TiO2纳米阵列且负载了贵金属Pt或Pd颗粒的蜂窝陶瓷基底浸渍在上述La0.8Sr0.2CoO3胶体中,超声1min后取出蜂窝陶瓷基底，用气流吹出陶瓷孔道中多余的溶液，然后在300℃下加热10min；以及
步骤S53：将蜂窝陶瓷基底在700℃退火处理2h。
可以理解地，为了使得溶剂尽快挥发掉，并保证La0.8Sr0.2CoO3催化剂在TiO2阵列表面的负载不会覆盖原本的活性位点，以上过程浸渍涂覆过程步骤S52仅需进行1次。
步骤S6在钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层进一步负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒，其包括以下步骤：
步骤S61：配置贵金属前驱体溶液，具体为：分别量取一定质量的四氨合硝酸铂溶解到去离子水中以形成贵金属前驱体溶液，超声该贵金属前驱体溶液充分溶解，其中铂Pt含量为0.2g/L，蜂窝陶瓷基底与贵金属前驱体溶液的体积比为1:5；
步骤S62：浸渍涂覆，具体为：将蜂窝陶瓷基底浸渍到贵金属前驱体溶液中，浸渍1min；然后将整块的蜂窝陶瓷基底取出来，用气流吹出蜂窝陶瓷基底的孔道中残留的溶液。然后将蜂窝陶瓷基底放入到微波炉中加热，直至其完全干燥；最后将蜂窝陶瓷基底放入150℃的烘箱中加热5min；重复以上过程，直至贵金属前驱体溶液消耗完并且全部负载到蜂窝陶瓷基底上，贵金属负载率为0.2％；以及
步骤S63：最后将蜂窝陶瓷基底在500℃中退火5h，升温速率为5℃/min。
在步骤S61中，所述四氨合硝酸铂前驱体盐还可以为硝酸钯前驱体盐来代替。
本发明中所提供的制备低担载量贵金属分层负载的钙钛矿复合催化剂的制备方法的有益效果是，其采用的是水热法和浸渍法，制备过程简单，便于操作与产业化。
本发明提供一种低担载量贵金属分层负载的钙钛矿复合催化剂，其包括：蜂窝陶瓷基底，生长在蜂窝陶瓷基底上的TiO2纳米阵列，TiO2纳米阵列上依次负载有第一层贵金属颗粒、第二层钙钛矿LaxSr1-xCoO3涂层以及第三层贵金属颗粒。所述贵金属颗粒可以是铂Pt或者钯Pd。所述钙钛矿LaxSr1-xCoO3涂层可以为La0.8Sr0.2CoO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.4Sr0.6CoO3以及La0.2Sr0.8CoO3。
本发明中所提供复合催化剂具有如下有益效果：第一、其表面涂覆的钙钛矿层不仅暴露更多的活性位点而且能够稳定纳米颗粒的锚定，提高贵金属颗粒的稳定性；第二、本发明提供的低担载量贵金属分层负载的钙钛矿复合催化剂，制备过程中分批次涂覆了双层贵金属颗粒(贵金属层/钙钛矿层/贵金属层)，与传统的表面负载贵金属颗粒的方法不同，贵金属-钙钛矿-贵金属之间的双界面效应能够进一步提高催化剂的整体活性。

Claims (10)

1.一种用于VOCs催化燃烧的复合催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：清洗蜂窝陶瓷基底；
步骤S2：在蜂窝陶瓷基底上形成TiO2晶种纳米粒子；
步骤S3：在蜂窝陶瓷基底上生长TiO2纳米阵列；
步骤S4：在已经生长有TiO2纳米阵列的蜂窝陶瓷基底上负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒；
步骤S5：在已经生长有TiO2纳米阵列且负载有贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒的蜂窝陶瓷基底上负载钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层；以及
步骤S6：在钙钛矿氧化物LaxSr1-xCoO3涂层进一步负载贵金属铂Pt或者钯Pd颗粒。
2.如权利要求1所述的催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述蜂窝陶瓷基底可以为堇青石蜂窝陶瓷基底、碳化硅蜂窝陶瓷基底或者莫来石蜂窝陶瓷基底。
3.如权利要求2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
步骤S11：将蜂窝陶瓷基底依次用去离子水、己烷、丙酮、乙醇超声清洗，每种溶剂的超声清洗时间为10分钟；以及
步骤S12：将蜂窝陶瓷基底置于80℃的恒温箱中干燥2小时。
4.如权利要求2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：配置TiO2晶种溶液，具体为：首先量取1000mL无水乙醇倒入烧杯中；其次配置0.01M的稀硝酸溶液，将1.8mL的稀硝酸加入到上述1000mL无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌均匀；最后称取7.1g的钛酸异丙酯加入到乙醇中，待其均匀溶解后得到浓度为25mM的TiO2晶种前驱体溶液；
步骤S22：浸渍涂覆，具体为：首先将步骤S1清洗干净的蜂窝陶瓷基底浸渍在步骤S21中配制的TiO2晶种溶液中超声1min，取出后用气流吹掉通道中的残留溶液；其次将蜂窝陶瓷基底在微波炉中加热2min，最后在200℃的恒温箱中加热10min；以及
步骤S23：形成TiO2晶种纳米粒子，具体为：将浸渍涂覆后的蜂窝陶瓷基底在500℃的马弗炉中退火处理1小时，得到TiO2晶种纳米粒子涂层。
5.如权利要求2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
步骤S31：配置反应溶液，具体为：量取500mL的丁酮，然后依次加入50mL体积分数为37％的盐酸，60mL钛酸四丁酯，5mL四氯化钛(1M TiCl4/甲苯)，搅拌1min使其溶解均匀；
步骤S32：生长纳米阵列，具体为：将3 inch x 3 inch x 2 inch尺寸大小的蜂窝陶瓷基底浸渍到上述溶液，底部垫一个小块的蜂窝陶瓷使蜂窝陶瓷基底与反应器底部保持一定的距离；然后将反应器密封，加热到150℃，持续反应10h；以及
步骤S33：清洗蜂窝陶瓷基底：将步骤S32中的蜂窝陶瓷基底取出，将其在去离子水中超声清洗多次；最后将蜂窝陶瓷基底在500℃的马弗炉中加热2h。
6.如权利要求2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述贵金属为Pt，步骤S4包括以下步骤：
步骤S41：配置贵金属前驱体溶液，具体为：分别量取一定质量的四氨合硝酸铂溶解到去离子水中，超声前驱体溶液充分溶解，Pt含量为0.2g/L，蜂窝陶瓷基底与溶液的体积比为1:5；
步骤S42：浸渍涂覆，具体为：将蜂窝陶瓷基底浸渍到贵金属前驱体溶液中，浸渍1min；然后将整块的蜂窝陶瓷基底取出来，用气流吹出蜂窝陶瓷基底的孔道中残留的溶液。然后将蜂窝陶瓷基底放入到微波炉中加热，直至其完全干燥；最后将蜂窝陶瓷基底放入150℃的烘箱中加热5min；重复以上过程，直至贵金属前驱体溶液消耗完并且全部负载到蜂窝陶瓷基底上，贵金属负载率为0.2％；以及
步骤S43：最后将蜂窝陶瓷基底在500℃中退火5h(升温速率为5℃/min)。
7.如权利要求2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，所述LaxSr1-xCoO3可以为La0.8Sr0.2CoO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.4Sr0.6CoO3以及La0.2Sr0.8CoO3。
8.如权利要求7所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述LaxSr1-xCoO3为La0.8Sr0.2CoO3，步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：配置La0.8Sr0.2CoO3钙钛矿溶胶，具体为：称取3.119g(9.6mmol)的硝酸镧(La(NO3)3·nH2O)，0.508g(2.4mmol)的硝酸锶(Sr(NO3)2)以及3.493g(12mmol)的硝酸亚钴(Co(NO3)2·2H2O)，溶解于60ml乙二醇与40ml甲醇的混合溶剂中，超声使其完全溶解分散，然后在室温下连续搅拌4h，最后静置24h得到钙钛矿前驱体溶胶；
步骤S52：浸渍涂覆，具体为：将生长有TiO2纳米阵列且负载了贵金属Pt或Pd颗粒的蜂窝陶瓷基底浸渍在上述La0.8Sr0.2CoO3胶体中,超声1min后取出蜂窝陶瓷基底，用气流吹出蜂窝陶瓷基底孔道中多余的溶液，然后在300℃下加热10min；以及
步骤S53：将蜂窝陶瓷基底在700℃退火处理2h。
9.如权利要求8所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S52只需进行1次。
10.如权利要求2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S6包括以下步骤：
步骤S61：配置贵金属前驱体溶液，具体为：分别量取一定质量的四氨合硝酸铂前驱体盐或者硝酸钯前驱体盐溶解到去离子水中，超声前驱体溶液充分溶解形成贵金属前驱体溶液，其中Pt含量为0.2g/L，蜂窝陶瓷基底与溶液的体积比为1:5；
步骤S62：浸渍涂覆，具体为：将蜂窝陶瓷基底浸渍到步骤S61形成的贵金属前驱体溶液中，浸渍1min；然后将整块的蜂窝陶瓷基底取出来，用气流吹出蜂窝陶瓷基底的孔道中残留的溶液。然后将蜂窝陶瓷基底放入到微波炉中加热，直至其完全干燥；最后将蜂窝陶瓷基底放入150℃的烘箱中加热5min；重复以上过程，直至贵金属前驱体溶液消耗完并且全部负载到蜂窝陶瓷基底上，贵金属负载率为0.2％；以及
步骤S63：最后将蜂窝陶瓷基底在500℃中退火5h，升温速率为5℃/min。
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