CN111167450A - 铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法及其产品和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法及其产品和应用，通过向氧化铈中引入适量的铌并负载金，其中铈和铌的摩尔比为10:1‑100:1。本发明利用微量铈在氧化锰晶格中的生长和取代，抑制了二氧化铈晶格生长，提高了氧化铈的比表面积，进而调控了载体表面性质，并增强了金和载体之间的相互作用，有效稳定了纳米金颗粒在载体表面的分散，促进了其在苯燃烧反应中高温性能的提高。
Description
技术领域
本发明属于催化环保技术领域，具体涉及一种铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法及其产品和应用。
背景技术
挥发性有机化合物（VOCs）引起的环境污染对人体健康造成了极大的危害。因此，VOC的污染控制势在必行。迄今为止，催化燃烧控制VOCs已经成为环境管理领域的重要研究课题。在这种情况下，开发用于苯燃烧的高性能催化剂具有重要意义。
Au/CeO2基催化材料由于纳米Au的优异低温催化能力和氧化铈的独特的储氧能力而受到广泛关注。有许多报道致力于改善其催化性能，主要是通过改变CeO2的性质和界面相互作用。其中，据报道，CeO2的金属掺杂是一种有效的策略。尤其是在催化氧化反应中，适当的金属掺杂剂可以促进CeO2的氧迁移率并稳定纳米金。在衍生的Au/CeO2基催化剂中，钒掺杂的CeO2通常表现出色的催化性能。但是，钒的毒性限制了它们的进一步应用。因此，需要探索潜在的环境友好的掺杂助剂以增强Au/CeO2催化剂对苯燃烧的催化性能。
与钒同族的铌及其化合物是各种催化反应的良好促进剂，例如烃氧化脱氢，氨氧化和一氧化氮去除。但由于含铌化合物在常规溶剂中的低溶解度而难以保证组分的均匀性。使得其难作为助剂调控其他化合物的性质。
发明内容
为避免使用溶剂并能均匀分散铌物种在氧化铈中的简单制备方法，本发明的目的在于提供一种铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法。
本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的铌改性氧化铈负载金催化剂产品。
本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法，其特征在于通过向氧化铈中引入适量的铌并负载金，包括以下步骤：
（1）按照Ce : Nb摩尔比为10:1-100:1计算并称取二氧化铈和草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨0.5 h-1 h；
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400℃，保持2 h，得到铌掺杂的二氧化铈载体。
（3）称取1 g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液中，其中金浓度为0.0005 mol/L，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至中性，然后在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/Nb-CeO2催化剂。
优化的，Ce : Nb摩尔比为15:1-20:1。
本发明还提供了一种铌改性氧化铈负载金催化剂，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明也提供了一种铌改性氧化铈负载金催化剂应在苯燃烧反应中的应用。
本发明通过制备铌改性氧化铈之后，并进一步负载金，制备了一种新型Au/Nb-CeO2材料，并成功地将其应用于苯燃烧反应中，表现出极好的苯燃烧性能。表征数据发现，微量铌高度分散在二氧化铈表面上，大部分氧化铌进入氧化铈晶格中。同时，相对于未掺杂的Au/CeO2催化剂，明显提高了稳定性，最优催化剂可在较高温度下（230℃）连续反应50 h保持稳定的转化率，而且反应后金的颗粒尺寸无明显变化。
本发明机理是：通过向氧化铈中引入适量的铌，抑制了二氧化铈晶格生长，进而调控了载体表面性质，并增强了金和载体之间的相互作用，促进了金在铌掺杂的二氧化铈载体表面上的分散，提高了Au/Nb-CeO2在苯燃烧反应中的性能。利用微量铈在氧化锰晶格中的生长和取代，抑制了二氧化铈晶格生长，提高了氧化铈的比表面积，进而调控了载体表面性质，并增强了金和载体之间的相互作用，有效稳定了纳米金颗粒在载体表面的分散，促进了其在苯燃烧反应中高温性能的提高。
催化剂活性测试：
将本发明制得的和对比实施例中的催化剂用于苯催化燃烧，将材料负载金制备成催化剂以后放在连续流动固定床装置中通入苯蒸气和空气的混合气进行反应；反应压力为常压～1 atm ,反应空速为30000 mL/(g·h)，空气与苯蒸气的混合气中，苯的浓度为1000 ppm。
本发明方法重复性强，所制备的产品利用微量铈在氧化锰晶格中的生长和取代，抑制了二氧化铈晶格生长，提高了氧化铈的比表面积，进而调控了载体表面性质，并增强了金和载体之间的相互作用，有效稳定了纳米金颗粒在载体表面的分散，促进了其在苯燃烧反应中高温性能的提高。
附图说明
图1是实施例1-5和对比实施例对于苯的催化燃烧活性图；
图2是T90对应于不同铌铈比的曲线。
具体实施方式
实施例1
一种铌改性氧化铈负载金催化剂，通过向氧化铈中引入铌并且负载金制备得到铌改性氧化铈负载金催化剂，其中，Ce：Nb为10：1按以下步骤制备：
（1）称取5 g二氧化铈和0.50 g草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨1 h。
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400℃，保持2h，得到铌掺杂的二氧化铈载体Ce10Nb1；
（3）称取1 g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液（金浓度为0.0005 mol/L）中，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至沉淀中性，然后在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/ Ce10Nb1催化剂。
本实施例对于苯的催化燃烧活性见图1，反应90%对应的T90曲线见图2。
实施例2
一种铌改性氧化铈负载金催化剂，步骤与实施例1相近，只是Ce：Nb为15：1，按以下步骤制备：
（1）称取5 g二氧化铈和0.33 g草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨1 h。
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400℃，保持2h，得到铌掺杂的二氧化铈载体Ce15Nb1；
（3）称取1 g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液（金浓度为0.0005 mol/L）中，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至中性，然后在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/ Ce15Nb1催化剂。
本实施例对于苯的催化燃烧活性见图1，反应90%对应的T90曲线见图2。
实施例3
一种铌改性氧化铈负载金催化剂，步骤与实施例1相近，只是Ce：Nb为20：1，按以下步骤制备：
（1）称取5 g二氧化铈和0.25 g草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨0.5 h。
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400 ℃，保持2 h，得到铌掺杂的二氧化铈载体Ce20Nb1；
（3）称取1 g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液（金浓度为0.0005 mol/L）中，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至中性，然后，在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/ Ce20Nb1催化剂。
本实施例对于苯的催化燃烧活性见图1，反应90%对应的T90曲线见图2。
实施例4
一种铌改性氧化铈负载金催化剂，步骤与实施例1相近，只是Ce：Nb为50：1，按以下步骤制备：
（1）称取5 g二氧化铈和0.1 g草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨0.5 h；
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400℃，保持2 h，得到铌掺杂的二氧化铈载体Ce50Nb1；
（3）称取1 g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液（金浓度为0.0005 mol/L）中，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至中性，然后，在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/Ce50Nb1催化剂。
本实施例对于苯的催化燃烧活性见图1，反应90%对应的T90曲线见图2。
实施例5
一种铌改性氧化铈负载金催化剂，步骤与实施例1相近，只是Ce：Nb为100：1，按以下步骤制备：
（1）称取5 g二氧化铈和0.05 g草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨0.5 h；
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400℃，保持2 h，得到铌掺杂的二氧化铈载体Ce100Nb1；
（3）称取1 g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液（金浓度为0.0005 mol/L）中，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至中性，然后，在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/ Ce100Nb1催化剂。
本实施例对于苯的催化燃烧活性见图1，反应90%对应的T90曲线见图2。
对比例
称取1 g CeO2在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液（金浓度为0.0005 mol/L）中，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，经充分洗涤至中性，然后，在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/ CeO2催化剂。
本实施例对于苯的催化燃烧活性见图1，反应90%对应的T90曲线见图2。
催化剂活性测试：
将实施例1-5和对比实施例中的催化剂用于苯催化燃烧，将实施例1-2中所述材料负载金制备成催化剂以后放在连续流动固定床装置中通入苯蒸气和空气的混合气进行反应；反应压力为常压～1 atm ,反应空速为30000 mL/(g·h)，空气与苯蒸气的混合气中，苯的浓度为1000 ppm。
由图1和图2可看出，当铈：铌在10:1到15:1时，Au/Nb-CeO2的苯燃烧性能优于Au/CeO2。并进一步，最优催化剂Au/Ce15Nb1在230 ℃连续反应50 h，转化率无明显变化。
Claims (4)
1.一种铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法，其特征在于，通过向氧化铈中引入铌并且负载金制备得到铌改性氧化铈负载金催化剂，包括以下步骤：
（1）按照Ce：Nb摩尔比为10:1-100:1计算并称取二氧化铈和草酸铌，置于玛瑙研钵中充分混合研磨0.5 h-1 h；
（2）将上述样品置于马弗炉中焙烧，升温速率为2℃/min，焙烧温度为400℃，保持2 h，得到铌掺杂的二氧化铈载体；
（3）称取1g步骤（2）所得载体，在强烈搅拌中加入含有0.01 g金的氯金酸溶液中，其中金浓度为0.0005 mol/L，60℃水浴条件下，滴加0.05 mol/L的NaOH溶液，离心分离沉淀，将沉淀洗涤至中性后在70℃真空干燥过夜，在马弗炉中400℃焙烧2 h得到Au/Nb-CeO2催化剂。
2.根据权利要求1所述铌改性氧化铈负载金催化剂的制备方法，其特征在于，权利要求1步骤（1）中优化的，Ce : Nb摩尔比为15:1-20:1。
3.一种铌改性氧化铈负载金催化剂，其特征在于根据权利要求1或2所述方法制备得到。
4.一种根据权利要求3所述铌改性氧化铈负载金催化剂应在苯燃烧反应中的应用。
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Citations (8)
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| CN101623637A (zh) * | 2009-07-23 | 2010-01-13 | 天津大学 | 用于一氧化碳优先氧化催化剂Au/MnOx-CeO2及其制备方法 |
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-
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 赵倩等: "催化氧化技术在可挥发性有机物处理的研究", 《化学进展》 * |
| 黄青斌等: "挥发性有机物催化氧化技术及催化剂研究进展", 《化学试剂》 * |
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