CN110639487A - 涂层材料的制备方法、涂层材料、催化剂以及三元催化器 - Google Patents

涂层材料的制备方法、涂层材料、催化剂以及三元催化器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涂层材料的制备方法、涂层材料、催化剂以及三元催化器，涉及催化器技术领域。其中，所述制备方法包括溶解铝盐，得到铝盐溶液；将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液；将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液；对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物；对所述固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，得到球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物包括氧化硅和氧化铝。本发明实施例中，所述涂层材料的制备工艺简单，成本较低，而且，所述涂层材料的比表面积较大。

Description

涂层材料的制备方法、涂层材料、催化剂以及三元催化器
技术领域
本发明涉及催化器技术领域，特别是涉及一种涂层材料的制备方法、涂层材料、催化剂以及三元催化器。
背景技术
随着工业化和城市化进程，汽车尾气污染已成为全球范围内城市污染的重要来源之一。目前，机动汽车尾气处理常在排气管出口处添加三元催化器，它能够将汽车排放废气如CO、NOx、HC等污染性气体催化转化成无污染的N2、CO2和H2O进行排放。具体地，三元催化器的核心部件为由堇青石蜂窝陶瓷为载体的整体催化剂，由于载体的比表面积较小(<1m2/g)，需要涂覆一层较大比表面积的涂层材料来使用，以分散稳定催化活性组分，提高有效组分的催化面积，提升排放尾气的处理效率。
然而，现有的技术中，在制备上述涂层材料的过程中，通常需要添加不同种类的稀土材料作为添加剂，成本较高，制备工艺较为复杂，而且，现有的涂层材料的比表面积较低(通常在50～200m2/g)。
发明内容
本发明提供一种涂层材料的制备方法、涂层材料、催化剂以及三元催化器，以解决现有的涂层材料制备工艺复杂且比表面积较低的问题。
为了解决上述问题，本发明公开了一种涂层的制备方法，包括：
溶解铝盐，得到铝盐溶液；
将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液；
将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液；
对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物；
对所述固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，得到球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物包括氧化硅和氧化铝。
可选地，所述将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液的步骤，包括：
将硅液加入所述混合溶液并搅拌均匀；
加入酸溶液以水解所述硅液，得到酸碱度满足预设范围的硅铝复合溶液。
可选地，所述预设范围为酸碱度为1～3。
可选地，所述对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物的步骤，包括：
对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到固液混合物；
对所述固液混合物进行抽滤、洗涤处理，得到球状的固体产物。
可选地，所述水热晶化处理的温度为100～200℃，所述水热晶化处理的时间为6～24小时。
可选地，所述模板剂包括：聚乙烯醇和甲基纤维素；所述将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液的步骤，包括：
将聚乙烯醇溶解于所述铝盐溶液，搅拌至溶解；
加入甲基纤维素并搅拌至溶解，以得到聚乙烯醇、甲基纤维素和铝盐的混合溶液。
可选地，所述聚乙烯醇与所述甲基纤维素的质量比为0.5～1：1。
可选地，所述铝盐、所述模板剂、所述硅液的质量比为1：0.2～2：1.5～20。
可选地，所述硅液为正硅酸乙酯、硅酸四甲酯和硅酸四异丙酯中的至少一种。
可选地，所述焙烧处理的温度为450～800℃，所述焙烧处理的时间为4～10小时。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种涂层材料，采用上述制备方法制成，所述涂层材料为球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物包括氧化硅和氧化铝。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种催化剂，包括：载体以及涂覆在所述载体上的涂层，所述涂层的材料为上述涂层材料。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种三元催化器，包括：上述催化剂。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明实施例中，通过溶解铝盐，得到铝盐溶液；将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液；将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液；对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物；对所述固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，即可得到球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物可以包括氧化硅和氧化铝。这样，就可以避免在所述涂层材料的制备过程中使用稀土材料，制备工艺简单，成本较低。而且，由于所述涂层材料为球状的粉末材料，所述涂层材料的比表面积较大，且所述涂层材料内的氧化硅可以用于增大氧化铝的分散程度，进一步增大所述涂层材料的比表面积，再加上所述模板剂被焙烧之后会再所述涂层材料内形成多孔结构，得到多孔的复合氧化物，可以更进一步增大所述涂层材料的比表面积，因此，所述涂层材料的比表面积较大。
附图说明
图1示出了本发明实施例一的一种涂层材料的制备方法的步骤流程图；
图2示出了本发明实施例二的一种涂层材料的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例一的一种涂层材料的制备方法的步骤流程图。
本发明实施例的涂层材料制备方法具体可以包括以下步骤：
步骤101：溶解铝盐，得到铝盐溶液。
本发明实施例中，可以将铝盐进行溶解，为了提高最终产品的纯度，可以采用去离子水溶解所述铝盐。
在实际应用中，所述铝盐可以为可溶性铝盐，具体地，所述可溶性铝盐可以为可溶性的离子化合物，属于无极铝盐类，例如，氯化铝、硝酸铝和硫酸铝等。
可以理解的是，在实际应用中，本领域技术人员可以采用氯化铝、硝酸铝和硫酸铝等可溶性铝盐中的一种或多种溶于去离子水中，以得到所述铝盐溶液。本发明实施例对于所述铝盐的具体种类可以不做限定。
本发明实施例中，以所述铝盐为基准，所述铝盐和所述去离子水的质量比可以为1：8～50。例如，将12.5g氯化铝加入到100g去离子水中并溶解，或者，将8g氯化铝加入到100g去离子水中并溶解，皆可得到所述铝盐溶液。
步骤102：将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液。
本发明实施例中，可以将模板剂溶解于所述铝盐溶液中，以得到模板剂与铝盐的混合溶液。在实际应用中，所述模板剂可以在后续的晶化过程中引导所述铝盐形成晶体，有利于晶体的形成，并达到控制成晶大小的目的。
在本发明的一种可选实施例中，所述模板剂可以包括聚乙烯醇和甲基纤维素。所述将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液的步骤可以包括以下子步骤：
子步骤S11：将聚乙烯醇溶解于所述铝盐溶液，搅拌至溶解。
本发明实施例中，可以将聚乙烯醇溶于所述铝盐溶液，并充分搅拌，使得所述聚乙烯醇充分的溶解于所述铝盐溶液中。
子步骤S12：加入甲基纤维素并搅拌至溶解，以得到聚乙烯醇、甲基纤维素和铝盐的混合溶液。
本发明实施例中，可以将甲基纤维素缓慢的加入子步骤S11得到的溶液中，并充分搅拌至所述甲基纤维素完全溶解。
在实际应用中，采用聚乙烯醇和甲基纤维素作为模板剂，并使得所述模板剂充分的溶解于所述铝盐溶液中，有利于在后续的晶化过程中引导所述铝盐形成晶体。具体地，为了进一步提高所述模板剂的效果，所述聚乙烯醇与所述甲基纤维素的质量比可以为0.5～1：1。
具体地，由于甲基纤维素的粘性大于所述聚乙烯醇，采用先溶解聚乙烯醇，在溶解甲基纤维素的方法，有利于所述聚乙烯醇、所述甲基纤维素在所述铝盐溶液中的充分溶解。
本发明实施例中，以所述铝盐为基准，所述铝盐与所述聚乙烯醇的质量比可以为1:0.1～1，优选为1:0.2～0.6，所述铝盐与所述甲基纤维素的质量比可以为1:0.1～2，优选为1:0.1～1。
步骤103：将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液。
本发明实施例中，可以将硅液加入所述混合溶液中，以得到硅铝复合溶液。在实际应用中，所述硅液可以用于增大所述混合溶液中所述铝盐的分散程度，进而，可以增大最终产物中氧化铝的比表面积。
可选地，所述硅液为正硅酸乙酯、硅酸四甲酯和硅酸四异丙酯中的至少一种，本发明实施例对于所述硅液的具体类型可以不做限定。
在实际应用中，由于正硅酸乙酯的水解性能较好，因此，所述硅液可以优选正硅酸乙酯或者正硅酸乙酯和其他硅液的混合溶液。
在本发明的一种可选实施例中，所述将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液的步骤可以包括以下子步骤：
子步骤S21：将硅液加入所述混合溶液并搅拌均匀。
本发明实施例中，可以采用移液器移取适量硅液，逐滴加入所述混合溶液中，并充分搅拌均匀，以使的所述硅液可以与所述混合溶液中的铝盐、模板剂均匀混合。
具体地，以所述铝盐为基准，所述铝盐、所述模板剂、所述硅液的质量比可以为1：0.2～2：1.5～20。
子步骤S22：加入酸溶液以水解所述硅液，得到酸碱度满足预设范围的硅铝复合溶液。
本发明实施例中，可以将酸溶液加入子步骤S21得到的混合溶液中，以充分水解所述硅液，调节所述混合溶液的酸碱度，以得到酸碱度(pH值)满足预设范围的硅铝复合溶液。
具体地，所述酸溶液可以为水溶性酸，所述水溶性酸可以包括水溶性无机酸和有机酸，如盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、草酸和乙酸等，所述的酸溶液可以为上述物质的一种或多种，本发明实施例对于所述酸溶液的具体类型可以不做限定。
可选地，所述预设范围可以为pH值为1～3。在实际应用中，在所述硅铝复合溶液的pH值为1～3的情况下，可以便于所述硅液充分水解，而且，便于水解后的硅液和所述铝盐发生络合反应，提高所述硅液对于所述铝盐的分散效果。
本发明实施例中，在将所述硅铝复合溶液的pH值调节至所述预设范围之后，可以在10～25℃的低温条件下将所述硅铝复合溶液搅拌8～12小时，以将所述硅液充分水解，并使得水解后的硅液和所述铝盐发生络合反应，提高所述硅液对于所述铝盐的分散效果。
步骤104：对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物。
本发明实施例中，可以将所述硅铝复合溶液至于静态高温下(例如高温反应釜内)进行水热晶化处理，在进行水热晶化处理的过程中，由于所述模板剂的作用，可以形成球状固体产物，比表面积较大，由于所述硅液的分散作用，所述球状固体产物的体积较小，这样，可以进一步所述球状固体产物的比表面积，进而，可以使得最终产物的比表面积较大。
在本发明的一种可选实施例中，所述对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物的步骤可以包括以下子步骤：
子步骤S31：对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到固液混合物。
本发明实施例中，可以将所述硅铝复合溶液至于静态高温下(例如高温反应釜内)进行水热晶化处理，以使得所述硅铝复合溶液的硅离子、铝离子可以充分反应形成氧化硅、氧化铝，并与所述模板剂一起形成球状的固体产物析出，得到固液混合物
具体地，所述水热晶化处理的温度为100～200℃，所述水热晶化处理的时间为6～24小时，以使所述硅铝复合溶液内的硅离子、铝离子能够充分反应，形成球状的固体产物。
在实际应用中，在水热晶化处理完成之后，可以将所述固液混合物进行冷却，以进行后续的操作。例如，可以在室温下冷却所述固液混合物。
子步骤S32：对所述固液混合物进行抽滤、洗涤处理，得到球状的固体产物。
本发明实施例中，在所述固液混合物冷却之后，可以对所述固液混合物进行抽滤、洗涤处理，以提取所述固液混合物中的球状的固体产物。具体地，所述球状的固体产物可以为由氧化硅、氧化铝以及模板剂组成的球状粉末。
在实际应用中，由于所述模板剂的作用，所述固体产物的形状可以为球状，比表面积较大，而且，由于所述硅液的分散作用，所述球状的固体产物的体积较小，这样，可以进一步所述球状的固体产物的比表面积。
步骤105：对所述固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，得到球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物可以包括氧化硅和氧化铝。
本发明实施例中，可以对所述球状的固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，得到涂层材料。具体地，通过所述焙烧处理，可以使得所述固体产物中的模板剂发生氧化反应，去除所述模板剂，仅保留氧化铝和氧化硅。
在实际应用中，在所述氧化剂被去除了之后，所述球状的固体产物内原所述模板剂的位置会形成孔状空隙，这样，就可以得到内部存在多孔的涂层材料，进一步增大所述涂层材料的比表面积。
可选地，所述焙烧处理的温度为450～800℃，所述焙烧处理的时间为4～10小时，以使得所述焙烧处理既能充分焙烧去除所述固体产物中的模板剂，又不会影响到所述固体产物中所述氧化硅和所述氧化铝的性能。
在实际应用中，由于所述涂层材料为球状的粉末材料，所述涂层材料的比表面积较大，且所述涂层材料内的氧化硅可以用于增大氧化铝的分散程度，进一步增大所述涂层材料的比表面积，在加上所述模板剂被焙烧之后会形成的多孔结构，可以更进一步增大所述涂层材料的比表面积，因此，所述涂层材料的比表面积较大。
具体地，通过对所述涂层材料进行对于氮气吸附-脱附试验可以得知，所述涂层材料的比表面积可以高达908.6m2/g。在实际应用中，在采用所述涂层材料制成三元催化器中的催化剂的情况下，由于所述比表面积较大，催化面积相应较大，所述催化剂的催化效率相应较高。
本发明实施例中，通过溶解铝盐，得到铝盐溶液；将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液；将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液；对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物；对所述固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，即可得到球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物可以包括氧化硅和氧化铝。这样，就可以避免在所述涂层材料的制备过程中使用稀土材料，制备工艺简单，成本较低。而且，由于所述涂层材料为球状的粉末材料，所述涂层材料的比表面积较大，且所述涂层材料内的氧化硅可以用于增大氧化铝的分散程度，进一步增大所述涂层材料的比表面积，再加上所述模板剂被焙烧之后会再所述涂层材料内多孔结构，得到多孔的复合氧化物，可以更进一步增大所述涂层材料的比表面积，因此，所述涂层材料的比表面积较大。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
实施例二
本发明实施例还公开了一种涂层材料，采用上述涂层材料的制备方法制成。
参照图2，示出了本发明实施例二的一种涂层材料的扫描电子显微镜图片，如图2所示，所述涂层材料为球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物可以包括氧化硅和氧化铝。
在本发明实施例中，由于所述涂层材料为球状的粉末材料，所述涂层材料的比表面积较大，且所述涂层材料内的氧化硅可以用于增大氧化铝的分散程度，进一步增大所述涂层材料的比表面积，再加上所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述涂层内存在多孔结构，可以更进一步增大所述涂层材料的比表面积，因此，所述涂层材料的比表面积较大。
实施例三
本发明实施例还公开了一种催化剂，所述催化剂可以包括载体以及涂覆在所述载体上的涂层，所述涂层的材料为上述涂层材料。
在本发明实施例中，由于所述涂层材料为球状的粉末材料，所述涂层材料的比表面积较大，且所述涂层材料内的氧化硅可以用于增大氧化铝的分散程度，进一步增大所述涂层材料的比表面积，再加上所述涂层材料为多孔复合氧化物，所述涂层材料内存在多孔结构，可以更进一步增大所述涂层材料的比表面积，因此，所述涂层材料的比表面积较大。在实际应用中，由于所述涂层材料的比表面积较大，采用所述涂层材料制成所述涂层的催化面积相应较大，所述催化剂的催化效率较高。
实施例四
本发明实施例还公开了一种三元催化器，所述三元催化器可以包括上述催化剂。
本发明实施例中，由于所述催化剂的涂层材料为球状的粉末材料，所述涂层材料的比表面积较大，且所述涂层材料内的氧化硅可以用于增大氧化铝的分散程度，进一步增大所述涂层材料的比表面积，再加上所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述涂层材料内存在多孔结构，可以更进一步增大所述涂层材料的比表面积，因此，所述涂层材料的比表面积较大。在实际应用中，由于所述涂层材料的比表面积较大，采用所述涂层材料制成所述涂层的催化面积相应较大，所述催化剂的催化效率相应较高，采用所述催化剂制成的三元催化器的催化效率相应较高。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的及一种涂层材料的制备方法、一种涂层材料、一种催化剂以及一种三元催化器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种涂层材料的制备方法，其特征在于，
溶解铝盐，得到铝盐溶液；
将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液；
将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液；
对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物；
对所述固体产物进行焙烧处理，去除所述固体产物中的模板剂，得到球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述复合氧化物包括氧化硅和氧化铝。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将硅液加入所述混合溶液，得到硅铝复合溶液的步骤，包括：
将硅液加入所述混合溶液并搅拌均匀；
加入酸溶液以水解所述硅液，得到酸碱度满足预设范围的硅铝复合溶液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述预设范围为酸碱度为1～3。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到球状的固体产物的步骤，包括：
对所述硅铝复合溶液进行水热晶化处理，得到固液混合物；
对所述固液混合物进行抽滤、洗涤处理，得到球状的固体产物。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水热晶化处理的温度为100～200℃，所述水热晶化处理的时间为6～24小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂包括：聚乙烯醇和甲基纤维素；所述将模板剂溶解于所述铝盐溶液，得到模板剂和铝盐的混合溶液的步骤，包括：
将聚乙烯醇溶解于所述铝盐溶液，搅拌至溶解；
加入甲基纤维素并搅拌至溶解，以得到聚乙烯醇、甲基纤维素和铝盐的混合溶液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇与所述甲基纤维素的质量比为0.5～1：1。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝盐、所述模板剂、所述硅液的质量比为1：0.2～2：1.5～20。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅液为正硅酸乙酯、硅酸四甲酯和硅酸四异丙酯中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧处理的温度为450～800℃，所述焙烧处理的时间为4～10小时。
11.一种涂层材料，采用权利要求1至10任一项所述的制备方法制成，其特征在于，所述涂层材料为球状的涂层材料，所述涂层材料为多孔的复合氧化物，所述氧化物包括氧化硅和氧化铝。
12.一种催化剂，其特征在于，包括：载体以及涂覆在所述载体上的涂层，所述涂层的材料为权利要求11所述的涂层材料。
13.一种三元催化器，其特征在于，包括：权利要求12所述的催化剂。
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