CN111229278A - 一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法和应用 - Google Patents
一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法和应用，制备时首先将九水硝酸铬和聚乙烯吡咯烷酮溶于水中，得到溶液A；将三聚氰胺溶于水中，得到溶液B；将溶液B加入到溶液A中，经过超声、油浴、烘干、煅烧后即可得到最终产物。本发明公开的方法不仅操作简单，原料易得，且制备的催化剂稳定性好，具有较高的NO催化氧化活性，在350℃时，该催化剂催化氧化NO的去除率可达68.79%。
Description
技术领域
本发明涉及环境功能材料技术领域，具体涉及一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法和应用。
背景技术
氮氧化物NOx是引起光化学烟雾、酸雨等环境问题的主要污染物。近年来，随着人类活动产生的NOx废气量的持续增加，由此引发的环境和生态问题也日益突出。为了满足环境保护的刚性要求，改善环境质量，需要我们积极展开对NOx排放控制技术的研究，同时寻找切实可行的方法加以推广应用。
目前，对燃烧产生的含NOx的烟气进行脱硝的较为经济的方法是将NO氧化成NO2，再利用碱性物质进行脱除，从而达到去除氮氧化物NOx以及资源化利用的目的。目前，常用的NO氧化方法有氧化吸收法、强氧化剂法和催化氧化法，其中催化氧化法是一种具有广阔发展前景的烟气脱硝方法，因为该方法具有运行成本低和处理效果好等优点。而催化氧化法的核心就是制备高效的NO氧化催化剂。
聚乙烯吡咯烷酮是一种合成的水溶性高分子化合物，既溶于水，又溶于大部分有机溶剂，而且毒性很低。此外，聚乙烯吡咯烷酮作为高分子表面活性剂，在不同的体系中，还可作为分散剂、助溶剂、抗再沉淀剂等进行应用。
氮化碳作为首个非金属、无毒的聚合物半导体催化剂，不仅具有良好的化学惰性和热稳定性，而且制备简单，价格相对低廉。因此，采用氮化碳作为脱硝催化剂的载体具有较好的应用前景。但是，氮化碳本身的结构不利于气体的吸附，如不对其进行一定的改性，其在催化氧化NO领域的应用必将受到极大的限制。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法和应用，该催化剂可以有效打破现有技术中的催化氧化NO催化剂的活性和稳定性较差的局限，拓宽了氮化碳类催化剂的应用前景。
本发明的技术方案为：一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将九水硝酸铬和聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中，搅拌，得到溶液A；
步骤2、将三聚氰胺加入去离子水中，搅拌，得到溶液B；
步骤3、将溶液B加入溶液A中，搅拌、超声，得到混合溶液；
步骤4、将步骤3所得的混合溶液置于油浴中反应后取出烘干；
步骤5、将经步骤4烘干的样品取出研磨、煅烧，将煅烧后的样品取出即得聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物催化剂。
进一步地，九水硝酸铬、聚乙烯吡咯烷酮和三聚氰胺三者的质量比为1：0.1~1：10。
进一步地，步骤3中，搅拌的时间为20~50 min，超声的时间为20~60 min。
进一步地，步骤4中，进行油浴反应的温度为70~90℃、油浴时间为1~4 h，烘干温度为60~80℃。
进一步地，步骤5中，煅烧过程是在马弗炉中进行，具体是以2-3℃/min的速率升温至500-540℃后进行煅烧，并保温2-6 h。
利用上述方法制备的聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物可运用于烟气脱硝领域中，能够高效催化氧化NO。
本发明的有益效果是：
1. 本发明以九水硝酸铬作为铬源，三聚氰胺作为氮化碳前驱体，聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，通过控制聚乙烯吡咯烷酮的加入量来控制催化剂的形貌及其性能；
2. 一步水热法制备聚乙烯吡咯烷酮掺杂的氮化碳负载铬氧化物催化剂，能够让催化剂中的活性组分和载体有效复合，从而提高催化剂的催化活性和稳定性，且该方法的整体操作简单，原料易得，适用于实验室以及工业扩大化生产应用；
3. 利用本发明公开方法制备的催化剂具有较大的比表面积，可以使活性组分更好的分散在催化剂表面，同时也能够更好的吸附反应气体，从而提高该催化剂的催化性能；在350℃时，该催化剂催化氧化NO的去除率可达68.79%。
4. 本发明制备的催化剂对硫的氧化物的吸附性较弱，因此可以减少硫氧化物的毒害作用。
附图说明
图1是实施例1制备的聚乙烯吡咯烷酮掺杂的氮化碳负载铬氧化物和对比例1制备的催化剂CN的XRD谱图；
图2是实施例1制备的聚乙烯吡咯烷酮掺杂的氮化碳负载铬氧化物和对比例1制备的催化剂CN的SEM图；
图3是实施例1制备的聚乙烯吡咯烷酮掺杂的氮化碳负载铬氧化物和对比例1制备的催化剂CN的NO的去除率-温度变化曲线图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
实施例1、聚乙烯吡咯烷酮掺杂的氮化碳负载铬氧化物的制备
步骤1：将0.3366 g九水硝酸铬和0.1017 g聚乙烯吡咯烷酮加入30 mL去离子水中，搅拌10 min，得到溶液A；
步骤2：将3.3287 g三聚氰胺加入30 mL去离子水中，搅拌10 min，得到溶液B；
步骤3：将溶液B加入到溶液A中，混合搅拌30 min，超声30 min得到混合溶液；
步骤4：将步骤3所得混合溶液置于70℃油浴中反应2 h后取出，在80℃下烘干；
步骤5：将经步骤4烘干的样品取出研磨，置于马弗炉中煅烧（煅烧条件：以2.4℃/min的速率升温至520℃，并保温4 h），将煅烧后得到的样品取出，经研磨后得到最终产物聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物，记作催化剂a。
对比例1、催化剂CN的制备
步骤1：将0.3372 g九水硝酸铬和3.3450 g三聚氰胺加入30 mL去离子水中，搅拌30min超声30 min；
步骤2：将步骤1所得溶液置于70℃油浴中反应2 h后取出，在80℃下烘干；
步骤3：将经步骤2烘干的样品取出研磨，置于马弗炉中煅烧（煅烧条件：以2.4℃/min的速率升温至520℃，并保温4 h），将煅烧后得到的样品取出，经研磨后得到最终产物单纯的氮化碳负载铬氧化物催化剂，记作催化剂CN。
相关性能的表征测试：
图1为实施例1和对比例1制备的催化剂的XRD图谱，从图中可以看出，负载聚乙烯吡咯烷酮后的催化剂a保持氮化碳的结构，而且负载前后的衍射峰没有明显位移，因此可以表明聚乙烯吡咯烷酮是以掺杂或表面分散的形式负载在氮化碳表面。对比催化剂CN，催化剂a的衍射峰有一定程度的宽化，表明掺杂聚乙烯吡络烷酮有利于催化剂晶粒的生长。
图2为实施例1（图2b）和对比例1（图2a）制备的催化剂的SEM图，从图中可以看出，对比例1制备的催化剂CN表面光滑，而实施例1制备的催化剂开始出现层状结构，并且催化剂表面出现孔洞，该结构可以使活性组分更好的分散在催化剂表面，同时也能够更好的吸附反应气体，从而提高该催化剂的催化性能。
图3为实施例1和对比例1制备的催化剂的NO去除率-温度变化曲线图，可以看出，相较于催化剂CN，催化剂a的脱硝性能有了大幅度改善，在350℃时，NO去除率达到68.79%，而催化剂CN在350℃时，NO去除率仅有47.86%。且实施例1制备的烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物催化剂的催化氧化NO性能符合热力学平衡，即随着温度的升高，NO去除率逐渐升高，当达到最大值后，NO去除率随温度的升高逐渐降低，所以本发明制备的催化剂存在最高NO去除率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (6)
1.一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将九水硝酸铬和聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中，搅拌，得到溶液A；
步骤2、将三聚氰胺加入去离子水中，搅拌，得到溶液B；
步骤3、将溶液B加入溶液A中，搅拌、超声，得到混合溶液；
步骤4、将步骤3所得的混合溶液置于油浴中反应后取出烘干；
步骤5、将经步骤4烘干的样品取出研磨、煅烧，将煅烧后的样品取出即得聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物催化剂。
2.如权利要求1所述的一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法，其特征在于，九水硝酸铬、聚乙烯吡咯烷酮和三聚氰胺三者的质量比为1：0.1~1：10。
3.如权利要求1所述的一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法，其特征在于，步骤3中，搅拌的时间为20~50 min，超声的时间为20~60 min。
4.如权利要求1所述的一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法，其特征在于，步骤4中，进行油浴反应的温度为70~90℃、油浴时间为1~4 h，烘干温度为60~80℃。
5. 如权利要求1所述的一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法，其特征在于，步骤5中，煅烧过程是在马弗炉中进行，具体是以2-3℃/min的速率升温至500-540℃后进行煅烧，并保温2-6 h。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物的制备方法制备的聚乙烯吡咯烷酮掺杂氮化碳负载铬氧化物在烟气脱硝领域中的运用，其特征在于，其能够高效催化氧化NO。
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| CN110152713A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-08-23 | 辽宁大学 | 氮化碳复合的三氧化二铬含氧缺陷的光热催化剂及其制备方法与应用 |
| CN110508309A (zh) * | 2019-08-15 | 2019-11-29 | 江苏理工学院 | 一种氮化碳负载铬氧化物催化剂及其制备方法和应用 |
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2020
- 2020-01-21 CN CN202010071167.2A patent/CN111229278A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110152713A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-08-23 | 辽宁大学 | 氮化碳复合的三氧化二铬含氧缺陷的光热催化剂及其制备方法与应用 |
| CN110508309A (zh) * | 2019-08-15 | 2019-11-29 | 江苏理工学院 | 一种氮化碳负载铬氧化物催化剂及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| QI WANG ET AL: "Fe-species-loaded graphitic carbon nitride with enhanced photocatalytic performance under visible-light irradiation", 《JOURNAL OF MOLECULAR CATALYSIS A: CHEMICAL》 * |
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