CN111468107A - 一种基于MOFs的Mn-C催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MOFs的Mn‑C催化材料及其制备方法和应用,所述Mn‑C催化材料的主体部分是C,结构为三维多孔骨架结构,其中,Mn原子均匀地负载在C骨架上。其制备方法包括水热法制备Mn‑MOFs以及Mn‑MOFs碳化制备Mn‑C。与传统催化剂相比,Mn‑C保留了MOFs的骨架,比表面积较大,Mn原子均匀分散在C骨架上,有助于充分与被催化物质接触,增强催化效果,且具备了极佳得疏水性能。将Mn‑C进一步负载在粗效过滤棉上,可直接用于空气净化器。
Description
技术领域
本发明属于催化技术领域,具体涉及一种基于MOFs的Mn-C催化材料及其制备方法和应用。
背景技术
对流层臭氧是一种危害极大的污染物,长期暴露在低浓度臭氧环境中会导致皮肤老化、心血管疾病,甚至有报道认为臭氧污染还和精神类疾病高发相关。现代人大部分时间都生活在室内,室内的臭氧主要来源于室外臭氧的输入和室内臭氧源的排放。室内的臭氧不仅直接危害人类的健康,还会和室内的装潢材料继续反应,使得原本不挥发的有机物变成挥发性有机物进一步危害人体健康。
常温催化分解是处理室内臭氧污染的有效方法,室内新风系统中也常用到此方法。现今臭氧分解催化剂主要有过渡金属氧化物催化剂、贵金属催化剂。为提高催化剂的经济效益,一般使用高比表面积的载体和高活性的催化活性物质相结合,制备出负载型催化剂。负载型催化剂的载体的物理结构和化学性质对催化剂性能有着决定的影响。碳基材料催化臭氧分解体系,具有基底无害易得,无金属溶出等特点,应用广泛。但随着循环使用次数的增加,碳表面的碱性基团不断消耗,酚羟基、羧基和羰基等酸性含氧基团持续累积,石墨层电子密度降低,从而降低体系的催化能力。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种基于MOFs的Mn-C催化材料及其制备方法和应用,与传统催化剂相比,基于MOFs制备的催化剂金属分散度更高,疏水性更强,具备更好的催化效果,更有应用价值,而采用粗效过滤棉作为载体负载臭氧分解催化剂,可直接用于空气净化器等装置。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于MOFs的Mn-C催化材料,所述Mn-C催化材料的主体部分是C,结构为三维多孔骨架结构,其中,Mn原子均匀地负载在C骨架上。
一种基于MOFs的Mn-C催化材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1)将MnCl2·4H2O和H3BTC以3:1的比例溶于DMF和水的混合液中,120℃加热96h,将所得混合液冷却至室温,用无水乙醇和去离子水洗涤无色晶体,然后冷冻干燥获得白色粉末Mn-MOFs;
步骤2)将步骤1)所得的Mn-MOFs于氮气氛围下,控温加热碳化处理,即可获得黑色的Mn-C粉末。
优选地,步骤1)所述洗涤过程为:先用无水乙醇洗涤3次,后用去离子水洗涤3次。
优选地,步骤2)所述加热的温度为500℃,时间为2h。
一种基于MOFs的Mn-C催化材料在处理室内臭氧上的应用。
优选地,将Mn-C催化材料制成空气滤芯直接用于空气净化器,具体为:将Mn-C粉末研磨并与水混合成浆液,将粗效过滤棉置于浆液中进行浸渍,取出干燥,重复2~3次,即得到负载在粗效过滤棉的Mn-C催化剂。
优选地,所述干燥的温度为100℃,时间为24h。
本发明的有益效果如下:
(1)本发明制备工艺简单、条件温和、稳定性好、成本低廉,具有催化效率高、环保节能、无毒无污染等突出优点,符合环境友好要求,具有广泛的运用前景。
(2)通过本发明的制备方法制备的复合催化材料Mn-C样品主体部分是C,为三维多孔骨架结构,Mn原子均匀分散在C骨架上。与传统催化剂相比,Mn-C保留了MOFs的骨架,比表面积较大,Mn原子均匀分散在C骨架上,有助于充分与被催化物质接触,增强催化效果,且具备了极佳得疏水性能。
(3)Mn-C的臭氧去除性能显著,几乎达到100%。将Mn-C进一步负载在粗效过滤棉上,可直接用于空气净化器。可见,Mn-C复合催化材料对室内空气污染物臭氧的处理具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是实施例1制备的不同温度下碳化所得Mn-C的比表面积图(BET);
图2是实施例1制备的500℃下Mn-C的透射电镜图(TEM);
图3是实施例1制备的负载在粗效过滤棉上Mn-C空气滤芯图;
图4是粗效过滤棉负载Mn-C催化分解臭氧的性能图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件按照说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种基于MOFs的Mn-C催化材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)Mn-MOFs的制备:将3.0mmol0.5937gMnCl2·4H2O溶于5mL蒸馏水,将1.0mmolH3BTC溶于5.0mLDMF,缓慢混合两种溶液。将混合溶液移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中,以5℃/min速度升温至120℃,120℃保温96h,冷却至室温,4000r/min用无水乙醇和去离子水洗涤无色晶体数次(先用无水乙醇洗涤3次,后用去离子水洗涤3次),然后冷冻干燥获得白色粉末Mn-MOFs。
(2)Mn-C催化材料的制备:将(1)所述的Mn-MOFs于管式炉中控温加热。称取适量Mn-MOFs放置于石英舟中,氮气氛围下,以5℃/min速度升温至500℃,并保温2h,降温至室温,即可获得黑色的Mn-C粉末。
(3)制备空气滤芯:将(2)所制备的Mn-C粉末和水混合成浆液,将粗效过滤棉在浆液中浸渍三次,100℃干燥24h即可获得空气滤芯。
图1为不同温度条件下碳化Mn-MOFs所获得的Mn-C催化剂的比表面积分析图,由图1可知,500℃条件下氮气氛围下加热所获Mn-C催化剂比表面积最大为222.50m2/g。
图2为500℃条件下氮气氛围下碳化制备的Mn-C催化剂的透射电镜图(TEM),从图2可知,所述500℃条件下Mn-C为三维多孔骨架结构,结构蓬松。Mn在其上均匀分散,未见团聚。
图3为制备的负载在粗效过滤棉上Mn-C空气滤芯图,经检测,500℃条件下Mn-C不能被水浸润。
图4为粗效过滤棉负载Mn-C催化分解臭氧的性能图。
催化分解臭氧性能评价如下:在常温下,催化剂投加量为100mg条件下,其中,反应条件为臭氧浓度为40ppm,空速为600L·L-1·h-1;湿度25%;Mn-C活性在运行360h后仍为100%。由图4可知,Mn-C常温处理空气污染物臭氧的效果明显。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于MOFs的Mn-C催化材料,其特征在于,所述Mn-C催化材料的主体部分是C,结构为三维多孔骨架结构,其中,Mn原子均匀地负载在C骨架上。
2.权利要求1所述的一种基于MOFs的Mn-C催化材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)将MnCl2·4H2O和H3BTC以3:1的比例溶于DMF和水的混合液中,120℃加热96h,将所得混合液冷却至室温,用无水乙醇和去离子水洗涤无色晶体,然后冷冻干燥获得白色粉末Mn-MOFs;
步骤2)将步骤1)所得的Mn-MOFs于氮气氛围下,控温加热碳化处理,即可获得黑色的Mn-C粉末。
3.根据权利要求2所述的一种基于MOFs的Mn-C催化材料的制备方法,其特征在于,步骤1)所述洗涤过程为:先用无水乙醇洗涤3次,后用去离子水洗涤3次。
4.根据权利要求2所述的一种基于MOFs的Mn-C催化材料的制备方法,其特征在于,步骤2)所述加热的温度为500℃,时间为2h。
5.权利要求1所述的一种基于MOFs的Mn-C催化材料在处理室内臭氧上的应用。
6.根据权利要求5所述的应用,其特征在于,将Mn-C催化材料制成空气滤芯直接用于空气净化器,具体为:将Mn-C粉末研磨并与水混合成浆液,将粗效过滤棉置于浆液中进行浸渍,取出干燥,重复2~3次,即得到负载在粗效过滤棉的Mn-C催化剂。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,所述干燥的温度为100℃,时间为24h。
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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