CN110813300A - 一种负载钴锌双金属的纳米碳材料及其制备方法和在催化氧化亚硫酸镁中的应用 - Google Patents

一种负载钴锌双金属的纳米碳材料及其制备方法和在催化氧化亚硫酸镁中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对亚硫酸镁具有高效氧化性能的负载钴锌双金属纳米碳材料的制备方法，该复合材料为钴锌双金属颗粒修饰的多孔碳材料，其制备步骤包括：将自制的金属有机框架ZIF‑8与六水硝酸钴在甲醇溶液中混合搅拌、加热、离心，再将干燥后的混合物在保护气氛下煅烧，得到负载钴锌双金属纳米碳材料。本发明方法使用了含钴、锌的金属有机框架材料为前驱体，一步法完成钴锌双金属对多孔碳材料的修饰，合成过程绿色环保；所合成的金属修饰多孔碳材料可实现对亚硫酸镁的高效催化氧化。

Description

一种负载钴锌双金属的纳米碳材料及其制备方法和在催化氧 化亚硫酸镁中的应用
技术领域
本发明属于化学化工、功能材料、催化材料制备技术领域，具体涉及一种负载钴锌双金属的纳米碳材料及其制备方法和在催化氧化亚硫酸镁中的应用。
背景技术
SO2对于环境和人体的危害越来越严重，烟气脱硫技术成为控制大气SO2排放的重要手段。湿式脱硫技术中的镁法烟气脱硫工艺因其所需区域小、节省能源、不会产生污垢等优势，被中小型工业锅炉烟气脱硫所采用，未来更是具有广阔的发展和应用空间。其中，亚硫酸镁的氧化是镁法脱硫工艺中的关键步骤。大量研究结果表明，过渡金属离子对该过程有重要的催化作用。然而，亚硫酸镁氧化过程中液态均相过渡金属离子存在着随脱硫外排液流失，并对环境造成污染的问题，其次残留的过渡金属离子对脱硫副产物硫酸镁纯度造成影响，导致硫酸镁的提纯及商品资源化应用受到极大的限制。因此，开发固态负载型催化剂成为了近年来该领域的研究热点和难点之一。此外，针对纳米催化剂研究的结果表明，为了使固态负载型催化剂的催化效率最大化，需对催化剂的纳米结构和组成进行优化，以暴露更多的表面催化活性位点用于催化亚硫酸镁氧化。基于此背景，通过对负载过渡金属的纳米碳材料催化亚硫酸镁氧化过程进行研究，制备高效、易回收、低残留的纳米碳催化剂，实现脱硫副产物的资源化利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种负载钴锌双金属的纳米碳材料及其制备方法和在催化氧化亚硫酸镁中的应用。本发明采用含锌的金属有机框架材料(ZIF-8)和六水硝酸钴为前驱体制备负载钴锌双金属的纳米碳材料，该负载钴锌双金属碳材料具有高度分散的钴、锌活性位点，并且保留了ZIF-8多孔材料较大比表面积的特性，实现了过渡金属活性位点的高度分散，提高了催化反应速率，强化传质过程，使亚硫酸镁催化氧化性能得到显著提高。
本发明的第一个目的在于提供这种富含过渡金属活性位点材料的制备方法，该方法涉及的工艺简单，且无毒、环境友好，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，包括如下步骤：
将2-甲基咪唑锌盐(ZIF-8)分散在甲醇溶液中，形成溶液I；将六水硝酸钴溶于甲醇中形成溶液II；将2-甲基咪唑溶于甲醇中，形成澄清溶液III；然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V，再将所述溶液V进行搅拌反应、离心、洗涤、干燥，得到紫色粉末；最后将紫色粉末在保护气氛下煅烧，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
进一步地，上述技术方案，所述六水硝酸钴和2-甲基咪唑的摩尔比为1:(3～5)。
进一步地，上述技术方案，所述ZIF-8与六水硝酸钴的摩尔比为1：(0.25～2.5)。
进一步地，上述技术方案，所述搅拌反应温度为20～40℃，反应时间为15～30h。
进一步地，上述技术方案，所述煅烧温度为400～700℃，煅烧时间为1.5～3h。
进一步地，上述技术方案，所述ZIF-8采用下述方法制得，步骤如下：
将六水醋酸锌溶于甲醇中，形成澄清溶液a；将2-甲基咪唑溶于甲醇中，形成澄清溶液b；然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在一定温度下搅拌反应后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后烘干，得到所述的ZIF-8。
进一步地，上述技术方案，所述搅拌反应温度为20～40℃，反应时间为15～30h。
进一步地，上述技术方案，所述六水醋酸锌和2-甲基咪唑的摩尔比为1:(3～5)。
本发明的第二个目的在于提供采用上述所述方法制备得到的负载钴锌双金属纳米碳材料。
本发明的第三个目的在于提供上述所述方法制备得到的负载钴锌双金属纳米碳材料在催化氧化亚硫酸镁中的应用。
本发明首先合成了ZIF-8金属有机框架多孔材料，随后利用ZIF-8优异的多孔吸附作用负载钴离子，使钴离子均匀的附着在ZIF-8孔道内壁；最后进行碳化还原煅烧，得到表面均匀附着有钴锌双金属的纳米碳材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明制备了一种负载钴锌双金属纳米碳材料，该碳材料为多孔结构，且表面均匀分布着钴锌金属颗粒。
2)本发明所制备的碳材料不仅具有较高的比表面积，实现了过渡金属活性位点的高度分散，有效提高了催化反应速率，强化传质过程，使亚硫酸镁催化氧化性能得到显著提高。
3)本发明使用了最新的金属有机框架(ZIF-8)材料，同步实现了双过渡金属负载碳材料的目的；在ZIF-8以及钴负载前驱体合成以及后续碳化过程中，制备条件温和，操作步骤简单，过程绿色环保，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1所得产物的XRD图。
图2为本发明实施例1所得产物的SEM图。
图3为本发明实施例2所得产物的XRD图。
图4为本发明实施例3所得产物的XRD图。
图5为本发明实施例4所得产物的XRD图。
图6为本发明对比例1所得产物的XRD图。
图7为本发明对比例2所得产物的XRD图。
图8为本发明对比例3所得产物的XRD图。
图9为本发明实施例1所得产物和单金属氧化物负载纳米碳材料催化氧化亚硫酸镁的活性对比图。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
实施例1
本实施例的一种负载钴锌双金属纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
1)合成ZIF-8：将5.95g六水醋酸锌溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液a；将6.16g 2-甲基咪唑溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液b。然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在25℃下搅拌24小时后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后在60℃下烘干，得到ZIF-8。
2)复合碳材料的制备：将上述0.5g ZIF-8分散在50mL甲醇溶液中，形成溶液I；将5.82g六水硝酸钴溶于50mL甲醇中形成溶液II；将6.16g 2-甲基咪唑溶于50mL甲醇中，形成澄清溶液III。然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V；在25℃条件下搅拌24小时后；采用离心机离心、洗涤；随后在60℃下干燥，得到紫色粉末；最后，将紫色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至600℃，煅烧2小时；冷却至室温，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图1，图中所得产物的特征峰与钴单质(15-0806)和氧化钴(CoO，48-1719)的标准图谱一致，未检测到Co3O4晶相的特征峰，说明所得产品中部分Co2+离子被还原成了单质钴；但是单质锌或氧化锌的特征峰未被发现，可能是由于Zn物种的高度分散导致的。从图2中看出所合成的钴锌双金属负载纳米碳材料为立方块与纳米管复合结构。
实施例2
本实施例的一种负载钴锌双金属纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
1)合成ZIF-8：将5.95g六水醋酸锌溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液a；将6.57g 2-甲基咪唑溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液b。然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在25℃下搅拌24小时后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后在60℃下烘干，得到ZIF-8。
2)复合碳材料的制备：将上述0.5g ZIF-8分散在50mL甲醇溶液中，形成溶液I；将11.64g六水硝酸钴溶于50mL甲醇中形成溶液II；将6.16g 2-甲基咪唑溶于50mL甲醇中，形成澄清溶液III。然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V；在25℃条件下搅拌24小时后；采用离心机离心、洗涤；随后在60℃下干燥，得到紫色粉末；最后，将紫色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至600℃，煅烧2小时；冷却至室温，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
将本实施例所得产物进行XRD表征，结果见图3，图中看出钴单质和氧化钴的晶相特征峰。
实施例3
本实施例的一种负载钴锌双金属纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
1)合成ZIF-8：将5.95g六水醋酸锌溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液a；将6.57g 2-甲基咪唑溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液b。然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在30℃下搅拌30小时后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后在60℃下烘干，得到ZIF-8。
2)复合碳材料的制备：将上述0.5g ZIF-8分散在50mL甲醇溶液中，形成溶液I；将5.82g六水硝酸钴溶于50mL甲醇中形成溶液II；将6.16g 2-甲基咪唑溶于50mL甲醇中，形成澄清溶液III。然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V；在30℃条件下搅拌30小时后；采用离心机离心、洗涤；随后在60℃下干燥，得到紫色粉末；最后，将紫色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至600℃，煅烧2小时；冷却至室温，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
将本实施例所得产物进行XRD表征，结果见图4，图中看出钴单质和氧化钴的晶相特征峰。
实施例4
本实施例的一种负载钴锌双金属纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
1)合成ZIF-8：将5.95g六水醋酸锌溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液a；将6.16g 2-甲基咪唑溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液b。然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在25℃下搅拌24小时后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后在60℃下烘干，得到ZIF-8。
2)复合碳材料的制备：将上述0.5g ZIF-8分散在50mL甲醇溶液中，形成溶液I；将2.91g六水硝酸钴溶于50mL甲醇中形成溶液II；将6.16g 2-甲基咪唑溶于50mL甲醇中，形成澄清溶液III。然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V；在30℃条件下搅拌30小时后；采用离心机离心、洗涤；随后在60℃下干燥，得到紫色粉末；最后，将紫色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至500℃，煅烧3小时；冷却至室温，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
将本实施例所得产物进行XRD表征，结果见图5，图中看出钴单质和氧化钴的晶相特征峰。
对比例1
一种负载四氧化三钴的纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
负载四氧化三钴的纳米碳材料的制备：将5.82g六水硝酸钴溶于50mL甲醇中形成溶液I；将6.16g 2-甲基咪唑溶于50mL甲醇中，形成澄清溶液II。然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液III；在25℃条件下搅拌24小时后；采用离心机离心、洗涤；随后在60℃下干燥，得到紫色粉末；最后，将紫色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至600℃，煅烧2小时；冷却至室温，即得所述负载四氧化三钴的纳米碳材料。
将本对比例所得产物进行XRD表征，结果见图6，从图中可以观察到四氧化三钴的特征晶相峰，而单质钴的特征峰消失。这表明，Zn物种的存在对2-甲基咪唑还原Co2+离子生成钴单质有显著影响。
对比例2
一种负载氧化锌的纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
将5.95g六水醋酸锌溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液I；将6.16g 2-甲基咪唑溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液II。然后慢慢的将溶液II加入到溶液I中；在25℃下搅拌24小时后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后在60℃下烘干，得到ZIF-8；最后，将白色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至600℃，煅烧2小时；冷却至室温，即得所述负载氧化锌的纳米碳材料。
将本对比例所得产物进行XRD表征，结果见图7，从图中可以观察到无定型碳，但是ZnO晶相的特征峰不明显，这表明ZnO颗粒高度分散在多孔碳材料表面。
对比例3
本对比例的一种负载钴锌双金属纳米碳材料，其制备方法包括如下步骤：
1)合成ZIF-8：将5.95g六水醋酸锌溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液a；将6.16g 2-甲基咪唑溶于150mL甲醇中，形成澄清溶液b。然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在25℃下搅拌24小时后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后在60℃下烘干，得到ZIF-8。
2)复合碳材料的制备：将上述0.5g ZIF-8分散在50mL甲醇溶液中，形成溶液I；将17.46g六水硝酸钴溶于50mL甲醇中形成溶液II；将6.16g 2-甲基咪唑溶于50mL甲醇中，形成澄清溶液III。然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V；在30℃条件下搅拌30小时后；采用离心机离心、洗涤；随后在60℃下干燥，得到紫色粉末；最后，将紫色粉末在氩气气氛下，以5℃/min升温速率升至600℃，煅烧2小时；冷却至室温，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
将本对比例所得产物进行XRD表征，结果见图8。本对比例所得负载钴锌双金属纳米碳材料与对比例1中所得负载四氧化三钴的纳米碳材料的XRD表征结果相似，均可以观察到四氧化三钴的特征晶相峰，而无单质钴的特征峰。该结果表明，2-甲基咪唑的使用量对钴单质的形成具有较大影响。当作为还原剂的2-甲基咪唑用量小于前面设定的比例范围，即钴：2-甲基咪唑＝1：(3～5)，则原料中Co2+无法全部被还原成Co，导致后续煅烧过程中产生Co3O4。
应用例
将实施例1所得负载钴锌双金属纳米碳材料应用于催化氧化亚硫酸镁的实验，具体包括如下步骤：
本次实验采取鼓泡式反应器，取200mL去离子水于烧杯中，置于45℃恒温水浴锅中，然后设置氧化气体流量为1L/min空气，通入其中，开磁力搅拌(300rmp)；待温度稳定后，称取0.2g实施例1所得的负载钴锌双金属的纳米碳材料加入上述溶液中；然后加入10g亚硫酸镁并开始计时；保持水溶液pH为8，每隔5min依次抽取一定体积(2.5mL、2mL、1.5mL、1mL、0.5mL)的溶液置于100mL容量瓶内，加入1mL盐酸溶液(1:1)，定容摇匀。用移液管移取50mL置于100mL玻璃杯中，加入2.5mL稳定剂，放在磁力搅拌器上进行搅拌，加入0.2g氯化钡，搅拌1min后静置4min，在420波长下用分光光度计测吸光度，算得不同时刻溶液中硫酸根的浓度。
图9为实施例1制备的钴锌双金属负载纳米碳材料与单金属氧化物纳米碳材料催化氧化亚硫酸镁性能对比图，可以看出所得双金属负载碳材料催化氧化亚硫酸镁反应速率为0.075mmol/(L·s)，相比负载氧化锌的碳材料(对比例2制得)和负载四氧化三钴的碳材料(对比例1制得)氧化速率，分别提高了12.5倍和2.4倍，催化氧化效率明显得到增强。
上述结果表明，本发明所述制备工艺简单环保，且制备的钴锌双金属负载纳米碳材料在催化氧化亚硫酸镁效率方面明显优于单金属氧化物负载碳材料。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将2-甲基咪唑锌盐(ZIF-8)分散在甲醇溶液中，形成溶液I；将六水硝酸钴溶于甲醇中形成溶液II；将2-甲基咪唑溶于甲醇中，形成澄清溶液III；然后，将溶液II慢慢加入到溶液I中形成混合溶液IV；再将溶液III加入到混合溶液IV中，形成混合溶液V，再将所述溶液V进行搅拌反应、离心、洗涤、干燥，得到紫色粉末；最后将紫色粉末在保护气氛下煅烧，即得所述负载钴锌双金属的纳米碳材料。
2.根据权利要求1所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：所述ZIF-8采用下述方法制得，步骤如下：
将六水醋酸锌溶于甲醇中，形成澄清溶液a；将2-甲基咪唑溶于甲醇中，形成澄清溶液b；然后慢慢的将溶液b加入到溶液a中；在20～40℃温度下搅拌反应15～30h后离心，得到白色沉淀物；随后用甲醇进行清洗后烘干，得到所述的ZIF-8。
3.根据权利要求2所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：所述六水醋酸锌和2-甲基咪唑的摩尔比为1:(3～5)。
4.根据权利要求1所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：所述六水硝酸钴和2-甲基咪唑的摩尔比为1:(3～5)。
5.根据权利要求1所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：所述ZIF-8与六水硝酸钴的摩尔比为1：(0.25～2.5)。
6.根据权利要求1所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌反应温度为20～40℃，反应时间为15～30h。
7.根据权利要求1所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法，其特征在于：所述煅烧温度为400～700℃，煅烧时间为1.5～3h。
8.权利要求1～7任一项所述的负载钴锌双金属的纳米碳材料的制备方法制备得到的负载钴锌双金属的纳米碳材料。
9.权利要求1～7任一项所述方法制备得到的负载钴锌双金属的纳米碳材料在催化氧化亚硫酸镁中的应用。
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