CN111268736A - 一种三维花球状的β-二氧化锰及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料合成领域，公开了一种三维花球状的β‑二氧化锰及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：将过硫酸铵均匀溶解于氢氧化钠溶液中，然后在搅拌下，加入硝酸锰，在室温有空气存在的条件下反应12‑36h，将得到的产物经过分离、洗涤、干燥后得到三维花球状的δ‑二氧化锰前驱体，而后将之焙烧即可得到由纳米片组装成的三维花球状的β‑二氧化锰。本发明在温和条件下经过拓扑转化制备了具有较大比表面积的三维花球状的β‑MnO2，制备的β‑MnO2催化剂用于用于低温脱硝和室温甲醛催化消除，表现出良好的催化性能。

Description

一种三维花球状的β-二氧化锰及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料合成领域，尤其涉及一种三维花球状的β-二氧化锰及其制备方法和应用。
背景技术
空气污染已成为严重影响人们身体健康的重要问题。从宏观大气环境角度看，来自于汽车尾气或者工业废气中的氮氧化物(NOx)是重要的污染源之一。采用催化的方式，选择性催化还原(SCR)的脱硝技术，是目前脱硝最为经济和高效的手段。目前商用的SCR催化剂是V2O5/TiO2系催化剂，其活性温窗是300～400℃，在低温段的活性和选择性不高。因此，开发在低温段和中高温段拥有良好脱硝活性的SCR催化剂，弥补传统钒系催化剂的不足，具有十分重要的现实意义。
从微观居室空气环境看，尽管涂料和胶黏剂的绿色化，无溶剂化是国内市场发展的主流，但不可否认，由于绿色水性的涂料和胶黏剂的价格或者性能的限制，其广泛应用尚待时日。在此背景下，家庭或者办公场所的室内装修往往带来甲醛超标的问题。而且，由于甲醛的排放特征是低浓度长期排放(来自某些家具或者装修板材的甲醛排放可长达5-10年)，这严重污染居室空气和人体健康。因此研发一种能够在室温条件下具有良好的甲醛消除性能的催化剂具有重要的研究价值。据报道，二氧化锰系催化剂具有良好的甲醛消除能力(化学进展,2019,31(Z1):311)。二氧化锰的催化性能与其制备工艺密切相关，这是因为不同的制备工艺条件下(反应原料：不同的锰盐或者氧化剂或者还原剂，反应温度，反应原料配比，反应pH值，酸性反应条件时酸的类型，添加的其他金属离子或者表面活性剂等)得到的氧化锰的晶型(如α，β，γ，δ，λ-MnO2等)，乃至同一种晶型的形貌都会有巨大的差别，从而影响其催化性能。在二氧化锰的诸多晶型中，β-MnO2一般具有较小的比表面积和孔道结构(1*1孔道)，其常规形貌为多为不规则的纳米棒(化工新型材料,2017,45(03):160)或者双锥棱(Nano Energy 48(2018)301)，纳米片的形貌比较罕见，这是由其自身的内在结构决定的。纳米片结构的材料一般具有较大的比表面积和较多的表面缺陷，往往表现出良好的催化性能，是研究关注的热点。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种三维花球状的β-二氧化锰(β-MnO2)的制备方法；该方法是在温和条件下经过拓扑转化制备了具有较大比表面积的由纳米片组装成的三维花球状的β-MnO2。
本发明的再一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的三维花球状的β-二氧化锰。
本发明的又一目的在于提供一种上述三维花球状的β-二氧化锰的应用，可用于低温脱硝和室温甲醛催化消除，表现出良好的催化性能。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种三维花球状的β-二氧化锰的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将过硫酸铵均匀溶解于氢氧化钠溶液中，然后在搅拌下，加入硝酸锰，在室温有空气存在的条件下反应12-36h，将得到的产物经过分离、洗涤、干燥后得到三维花球状的δ-二氧化锰前驱体，而后将之焙烧即可得到三维花球状的β-二氧化锰。
所述硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:(1.2～2.5)。
所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为0.1～0.2mol/L。
所述焙烧是在空气气氛进行的，焙烧的温度为300℃～360℃，焙烧的时间为2h～5h。
一种根据上述的制备方法制备得到的β-二氧化锰，所述三维花球状的β-二氧化锰的比表面积为皆高于100m2/g.。
上述的三维花球状的β-二氧化锰单独作为催化剂或者以之为活性组分负载于其他催化剂载体上所得整体式催化剂在低温脱硝或者甲醛的低温消除领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明在温和条件下经拓扑转化制备了较大比表面积的由纳米片组装成的三维花球状的β-MnO2。与常规报道的β-MnO2的形貌不同，该技术发明制备的β-MnO2具有片状结构的罕见形貌，这赋予其具有较多的表面缺陷制备的δ-MnO2催化剂用于用于低温脱硝和室温甲醛催化消除，表现出良好的催化性能。
附图说明
图1为实施例1制备的前驱体δ-MnO2的XRD图。
图2为实施例1制备的前驱体δ-MnO2的SEM图。
图3为实施例1制备的β-MnO2的XRD图。
图4为实施例1制备的β-MnO2的SEM图
图5为实施例1制备的β-MnO2的低温脱硝催化活性图。
图6为实施例1制备的β-MnO2的室温催化甲醛活性图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
将过硫酸铵溶于0.1mol/L的氢氧化钠溶液中，在搅拌下，滴加入硝酸锰(硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:1.5)，而后在室温下反应24h，将得到的产物经过分离、洗涤而后干燥即得到三维花球状的前驱体δ-MnO2，将干燥后的前驱体置于马弗炉中于350℃焙烧2h，即可得到三维花球状β-MnO2催化剂。
然后对上述材料进行表征，其前驱体δ-MnO2的XRD谱图如图1，可知其与JCPDF标准卡43-1456型号的δ-MnO2对应；图2为本实施例制备的前驱体δ-MnO2的的扫描电镜图，从图中可以看出其形貌是三维花球状；
经过焙烧后制备的β-MnO2催化剂的XRD谱图如图3，可知其与JCPDF标准卡24-0735型号的β-MnO2对应；图4为本实施例制备的β-MnO2催化剂的扫描电镜图，从图中可以看出其形貌保持了前驱体的三维花球状形貌，该花球是诸多纳米片构成的；对该催化剂利用氮气吸附脱附测试其BET比表面积，为116.4m2/g，表明该催化剂具有较大比表面积，有利于其催化活性。
实施例2：
将过硫酸铵溶于0.1mol/L的氢氧化钠溶液中，在搅拌下，滴加入硝酸锰(硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:1.2)，而后在室温下反应36h，将得到的产物经过分离、洗涤而后干燥即得到三维花球状的前驱体δ-MnO2，将干燥后的前驱体置于马弗炉中于300℃焙烧5h，即可得到三维花球状β-MnO2催化剂。
实施例3：
将过硫酸铵溶于0.15mol/L的氢氧化钠溶液中，在搅拌下，滴加入硝酸锰(硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:2)，而后在室温下反应24h，将得到的产物经过分离、洗涤而后干燥即得到三维花球状的前驱体δ-MnO2，将干燥后的前驱体置于马弗炉中于330℃焙烧3.5h，即可得到三维花球状β-MnO2催化剂。
实施例4：
将过硫酸铵溶于0.20mol/L的氢氧化钠溶液中，在搅拌下，滴加入硝酸锰(硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:2.5)，而后在室温下反应12h，将得到的产物经过分离、洗涤而后干燥即得到三维花球状的前驱体δ-MnO2，将干燥后的前驱体置于马弗炉中于350℃焙烧2h，即可得到三维花球状β-MnO2催化剂。
实施例5：
将过硫酸铵溶于0.12mol/L的氢氧化钠溶液中，在搅拌下，滴加入硝酸锰(硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:1.8)，而后在室温下反应24h，将得到的产物经过分离、洗涤而后干燥即得到三维花球状的前驱体δ-MnO2，将干燥后的前驱体置于马弗炉中于350℃焙烧3h，即可得到三维花球状β-MnO2催化剂。
实施例6：
将实施例1制备的三维花球状的β-MnO2催化剂配置成质量分数5-10％的浆液，而后将整体式催化剂载体，如泡沫镍，铜网，堇青石，泡沫分子筛，或者其他有机聚合物载体(如PET，PP蜂窝载体等)经过一次或者数次浸渍到浆液中，而后干燥得到β-MnO2为活性组分的整体式催化剂。
效果实施例7:
以NO的NH3还原反应为模型反应，测试脱硝性能，将实施例1制得的β-MnO2样品压片后，过筛(40～60目)筛选出200mg粒径均匀的二氧化锰样品颗粒，放入内径为12mm的石英玻璃管固定床反应器中进行测试。反应空速为35000h-1。使用氩气作为平衡气，以500mL/min的气体流量通入组成为NO(0.08％)、NH3(0.08％)、O2(5％)的混合气体。实施例1制备的催化剂的活性图如图5，从图可见，在100℃左右，NO开始逐渐转化；在100℃～190℃之间，NO转化速率急速增加，，当温度达到150℃时，NO转化率已经高达90％；该催化剂的使用温度范围较宽，在150℃-375℃的温度范围NO转化率均高达90％以上，表现出较佳的低温脱硝性能。
甲醛的室温催化消除反应在固定床反应器中进行，甲醛的浓度控制为25mg/m3,空气的流量为200ml/min，催化剂用量0.1g，反应前后甲醛的浓度测试采用国标分光光度法进行。实施例1制备的β-MnO2在室温条件下甲醛消除活性如图6所示，从图可见，在反应时间内，甲醛的去除率始终维持在90％，显示出该材料具有良好的低温消除甲醛性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维花球状的β-二氧化锰的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将过硫酸铵均匀溶解于氢氧化钠溶液中，然后在搅拌下，加入硝酸锰，在室温有空气存在的条件下反应12-36h，将得到的产物经过分离、洗涤、干燥后得到三维花球状的δ-二氧化锰前驱体，而后将之焙烧即可得到三维花球状的β-二氧化锰。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述硝酸锰与过硫酸铵的摩尔比为1:(1.2～2.5)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为0.1～0.2mol/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述焙烧是在空气气氛进行的，焙烧的温度为300℃～360℃，焙烧的时间为2h～5h。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的三维花球状的β-二氧化锰。
6.根据权利要求5所述的三维花球状的β-二氧化锰单独作为催化剂或者以之为活性组分负载于其他催化剂载体上所得整体式催化剂在低温脱硝或者甲醛的低温消除领域中的应用。
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