CN112138653A - 一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法，所述催化剂为银‑纳米氧化铝催化剂；所述银为活性组分；所述纳米氧化铝为载体。所述制备方法包括：向纳米氧化铝的分散液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂。本发明中，催化剂以纳米氧化铝为载体，采用特定的活性组分银，利用纳米氧化铝表面有丰富的端羟基，而端羟基是Ag的锚定位点，可以使负载的Ag形成高分散的银颗粒。

Description

一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种用于臭氧分解的催化剂及其制备方法。
背景技术
臭氧有很强的氧化能力，会严重地刺激鼻腔，喉，引起胸腔收缩，高浓度的臭氧会引起心血管和呼吸系统障碍，极大地增加死亡率。此外，臭氧还会减弱植物的光合作用，甚至杀死细胞，使植物叶片坏死、脱落，从而减缓植物生长，造成各种农作物减产，影响整个国家的经济效益。有研究表明，只要有一定量的臭氧存在于环境中，即使浓度低于权威机构认定的有害浓度，这也并不表明对人体就完全无害，因为只要空气中存在臭氧就会生成各种化学物质的氧化产物，这些产物的危害比臭氧本身更为严重。因此，必须尽可能地降低臭氧在人类生存环境中的浓度。
臭氧的排放可以通过稀释法，溶液吸收法，热分解法，电磁波辐射法，活性炭法，预臭氧化法和催化分解法等方法进行控制，其中应用较多的方法有溶液吸收法，热分解法，活性炭法和催化分解法。
如CN110433820A公开了一种气体中臭氧分解用催化剂及其制备方法，包括以下步骤：S1：纤维状多孔导电炭黑的制备，得纤维状多孔导电炭黑；S2：臭氧分解用催化剂的制备，取电解液，采用电化学沉积法将电解液沉积到上述所得的纤维状多孔导电炭黑中，电化学沉积时，温度为85-95℃，电压为2-5V，通电时间为1-3h；取出，固化，固化温度为300-350℃，固化时间为30-60min，截断，得臭氧分解用催化剂。臭氧分解用催化剂以纤维状多孔导电炭黑为载体，锰铈铁镍为主要活性组分，活性组分均匀覆盖于载体的孔隙中，催化效率高，活性大，热稳定性好，寿命长，粉尘脱落少，制备工艺简单，成本低，使用安全，无隐患。
CN102481567A公开了一种臭氧气体还原催化剂载体的制造方法及催化剂载体，该臭氧气体还原催化剂载体，将由1张金属丝网形成的材料烧结而成的多孔体作为催化剂载体的基材、或将层叠有多张金属丝网的材料烧结而成的多孔体作为催化剂载体的基材，在该基材的表面形成氧化铝薄层，其中，在所述氧化铝薄层分散负载有铂族金属或其氧化物的催化物质。
然而现有技术中的催化剂对分解臭氧仍存在臭氧分解效率低，分解时间长，臭氧转化率低等问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种分解臭氧的催化剂及其制备方法，该催化剂具有高温下催化臭氧分解的性能，同时可在短时间内实现对臭氧的分解，进一步地，制备方法简单，实验材料廉价，有望涂覆在墙体上或者装在高空飞行器上来解决臭氧对大气环境造成污染的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于分解臭氧的催化剂，所述催化剂为银-纳米氧化铝催化剂；
所述银为活性组分；
所述纳米氧化铝为载体。
本发明中，催化剂以纳米氧化铝为载体，采用特定的活性组分银，利用纳米氧化铝表面有丰富的端羟基，而端羟基是Ag的锚定位点，可以使负载的Ag形成高分散的银颗粒。
作为本发明优选的技术方案，所述银的含量以质量百含量计≥4％，例如可以是4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，活性组分银含量的控制通过控制硝酸银溶液的添加量和硝酸银溶液的浓度来实现。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述催化剂的制备方法，所述制备方法包括：向纳米氧化铝的分散液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂。
本发明中，所述纳米氧化铝的分散液为纳米氧化铝的水溶液，纳米氧化铝在水液中进一步羟基化，使得氧化铝表面具有更为丰富的羟基，进一步增强单位纳米氧化铝的负载性能，同时采用特定的热处理工艺进一步地提高了催化剂的催化性能，采用分段的热处理工艺，使得活性组分和载体进行多次整合进而提高催化剂的性能。
作为本发明优选的技术方案，所述搅拌的温度为10-40℃，例如可以是10℃、12℃、14℃、16℃、18℃、20℃、22℃、24℃、26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃、38℃或40℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述搅拌的时间为2-24h，例如可以是2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h或24h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述旋蒸处理在真空条件下进行。
优选地，所述旋蒸处理的温度为40-80℃，例如可以是40℃、42℃、44℃、46℃、48℃、50℃、52℃、54℃、56℃、58℃、60℃、62℃、64℃、66℃、68℃、70℃、72℃、74℃、76℃、78℃或80℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述旋蒸处理的时间为1-5h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述第一热处理的温度为60-120℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一热处理的时间为12-24h，例如可以是12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h或24h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述第二热处理的温度为350-420℃，例如可以是350℃、355℃、360℃、365℃、370℃、375℃、380℃、385℃、390℃、395℃、400℃、405℃、410℃、415℃或420℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二热处理的升温速率为2-7℃/min，例如可以是2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min、6℃/min、6.5℃/min或7℃/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二热处理的时间为1-1.5h，例如可以是1h、1.05h、1.1h、1.15h、1.2h、1.25h、1.3h、1.35h、1.4h、1.45h或1.5h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述第三热处理的温度为470-530℃，例如可以是470℃、475℃、480℃、485℃、490℃、495℃、500℃、505℃、510℃、515℃、520℃、525℃或530℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第三热处理的升温速率为5-8℃/min，例如可以是5℃/min、5.5℃/min、6℃/min、6.5℃/min、7℃/min、7.5℃/min或8℃/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第三热处理的时间为2-2.5h，例如可以是2h、2.05h、2.1h、2.15h、2.2h、2.25h、2.3h、2.35h、2.4h、2.45h或2.5h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括：向纳米氧化铝的分散液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂；
所述第一热处理的温度为60-120℃；
所述第二热处理的温度为350-420℃；
所述第三热处理的温度为470-530℃。
与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中，催化剂以纳米氧化铝为载体，采用特定的活性组分银，利用纳米氧化铝表面有丰富的端羟基，而端羟基是Ag的锚定位点，可以使负载的Ag形成高分散的银颗粒。
(2)采用特定的热处理工艺进一步地提高了催化剂的催化性能，采用分段的热处理工艺，使得活性组分和载体进行多次整合进而提高催化剂的性能。
附图说明
图1是本发明实施例1所得催化剂的高分透射电镜的照片；
图2是本发明实施例1所得催化剂的高分透射电镜的局部放大照片；
图3是本发明对比例1所得催化剂的高分透射电镜的照片；
图4是本发明对比例1所得催化剂的高分透射电镜的局部放大照片。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法，所述催化剂为银-纳米氧化铝催化剂；
所述银为活性组分；
所述纳米氧化铝为载体；
所述制备方法包括：向纳米氧化铝的水溶液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂；
所述搅拌的温度为25℃，时间为13h；
所述旋蒸处理在真空条件下进行，温度为60℃，时间为3h；
所述第一热处理的温度为100℃，时间为17h；
所述第二热处理的温度为440℃，升温速率为4℃/min，时间为1.2h；
所述第三热处理的温度为500℃，升温速率为6℃/min，时间为2.3h。
所得催化剂及性能详见表1，如图1和图2所示，图1是Ag/nano-Al2O3上Ag的整体分布图，Ag比较均匀的分散在载体表面，图2是局部放大图，可以清晰看到Ag颗粒均匀分步，粒径大概在4nm左右。
实施例2
本实施例提供一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法，所述催化剂为银-纳米氧化铝催化剂；
所述银为活性组分；
所述纳米氧化铝为载体；
所述制备方法包括：向纳米氧化铝的水溶液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂；
所述搅拌的温度为10℃，时间为10h；
所述旋蒸处理在真空条件下进行，温度为80℃，时间为1.2h；
所述第一热处理的温度为60℃，时间为12h；
所述第二热处理的温度为420℃，升温速率为2℃/min，时间为1.5h；
所述第三热处理的温度为470℃，升温速率为8℃/min，时间为2.5h。
所得催化剂及性能详见表1。
实施例3
本实施例提供一种用于分解臭氧的催化剂及其制备方法，所述催化剂为银-纳米氧化铝催化剂；
所述银为活性组分；
所述纳米氧化铝为载体；
所述制备方法包括：向纳米氧化铝的水溶液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂；
所述搅拌的温度为40℃，时间为22h；
所述旋蒸处理在真空条件下进行，温度为40℃，时间为4.7h；
所述第一热处理的温度为120℃，时间为24h；
所述第二热处理的温度为350℃，升温速率为7℃/min，时间为1h；
所述第三热处理的温度为530℃，升温速率为5℃/min，时间为2h。
所得催化剂及性能详见表1。
对比例1
与实施例1的区别仅在于将载体替换为微米氧化铝，所得催化剂及性能详见表1，如图3和4所示，图3是Ag/micro-Al2O3中Ag颗粒的整体分布图，可以看到载体上的Ag颗粒出现较大程度的团聚现象，从局部放大图图4中可以看出，平均粒径在7nm左右。
对比例2
与实施例1的区别仅在于将载体替换为纳米氧化钴，所得催化剂及性能详见表1。
对比例3
与实施例1的区别仅在于将载体替换为纳米氧化铁，所得催化剂及性能详见表1。
对比例4
与实施例1的区别仅在于将载体替换为纳米氧化铜，所得催化剂及性能详见表1。
对比例5
与实施例1的区别仅在于将载体替换为纳米氧化钛，所得催化剂及性能详见表1。
对比例6
与实施例1的区别仅在于将载体替换为纳米氧化硅，所得催化剂及性能详见表1。
对比例7
与实施例1的区别仅在于将载体替换为纳米氧化铈，所得催化剂及性能详见表1。
对比例8
与实施例1的区别仅在于第三热处理的温度替换为440℃，所得催化剂及性能详见表1。
对比例9
与实施例1的区别仅在于第二热处理的温度改为500℃，所得催化剂及性能详见表1。
对比例10
与实施例1的区别仅在于将第一热处理的时间控制为2h，第二热处理的时间为1.5h，所得催化剂及性能详见表1。
表1各实施例和对比例所得催化剂及其性能
Figure BDA0002737827920000091
Figure BDA0002737827920000101
虽然实施例2和实施例3中臭氧的转化率低于实施例1的结果，但是其仍具有良好的催化性能。这是因为实施例2和实施例3中负载的活性组分较少，在相同处理条件下，效率会降低，如将实施例3的空速降低，则臭氧的转化率会提升，进一步地，通过对比图1和图3可以发现，由于纳米氧化铝上的端羟基多，微米氧化铝上的端羟基少，从而导致Ag/micro-Al2O3上的Ag团聚，使得Ag参与反应的活性位点数量减少，导致对比例1中的催化剂性能下降。
通过上述实施例和对比例的结果可知，本发明中，催化剂以纳米氧化铝为载体，采用特定的活性组分银，利用纳米氧化铝表面有丰富的端羟基，而端羟基是Ag的锚定位点，可以使负载的Ag形成高分散的银颗粒。采用特定的热处理工艺进一步地提高了催化剂的催化性能，采用分段的热处理工艺，使得活性组分和载体进行多次整合进而提高催化剂的性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于分解臭氧的催化剂，其特征在于，所述催化剂为银-纳米氧化铝催化剂；
所述银为活性组分；
所述纳米氧化铝为载体。
2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述银的含量以质量百含量计≥4％。
3.如权利要求1或2所述催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：向纳米氧化铝的分散液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的温度为10-40℃；
优选地，所述搅拌的时间为2-24h。
5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述旋蒸处理在真空条件下进行；
优选地，所述旋蒸处理的温度为40-80℃。
6.如权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述旋蒸处理的时间为1-5h。
7.如权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一热处理的温度为60-120℃；
优选地，所述第一热处理的时间为12-24h。
8.如权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第二热处理的温度为350-420℃；
优选地，所述第二热处理的升温速率为2-7℃/min；
优选地，所述第二热处理的时间为1-1.5h。
9.如权利要求3-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第三热处理的温度为470-530℃；
优选地，所述第三热处理的升温速率为5-8℃/min；
优选地，所述第三热处理的时间为2-2.5h。
10.如权利要求2-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：向纳米氧化铝的分散液中加入硝酸银溶液并搅拌，之后依次进行旋蒸处理、第一热处理、第二热处理和第三热处理，得到所述催化剂；
所述第一热处理的温度为60-120℃；
所述第二热处理的温度为350-420℃；
所述第三热处理的温度为470-530℃。
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