CN113318731A - 一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用溶胶凝胶法以P123和高锰酸钾为原料制备介孔二氧化锰催化剂的制备方法。包括以下步骤:(一)、将高锰酸钾与P123分别溶解于适量去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为3‑7,再在20‑50℃下搅拌,搅拌速度为200‑300转/分钟,然后将混合液静置,静置温度为20‑30℃;(二)、沉淀用蒸馏水洗涤,然后把所得粉体放入烘箱中,干燥得到黑色粉体;(三)、黑色粉体用无水乙醇进行萃取,萃取完后,将其置于干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料。该法步骤简单、操作容易,制备的甲醛降解催化剂具有较高的甲醛降解效率,稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用P123和高锰酸钾合成介孔二氧化锰的工艺,属于无机材料制备范围。
背景技术
甲醛是挥发性有机化合物VOCs(Volatile Organic Compounds)中最主要的一种,在中国有毒化学品优先控制名单中高居第2位。甲醛已成为最主要的室内空气污染物之一,不仅影响人体的上呼吸道和肺部;引起肝功能、免疫功能、神经系统异常;导致中枢部分功能丧失;且长时间接触高质量浓度甲醛可以导致多种癌症的发生。2004年6月,国际癌症研究机构将甲醛从二类致癌物上升到一类致癌物。室内甲醛的释放过程长达3~15年,中国于2003年3月1日实施的《室内空气质量标准》中明确规定,室内空气中甲醛1h内平均质量浓度最高允许为0.1mg/m3,但目前大多情况远高于这一标准。由于甲醛的释放过程是一个缓慢的过程,使得消除空气中的甲醛相对困难。虽然治理甲醛的技术很多,但都或多或少的存在缺点:臭氧负离子技术法反应速率慢,且可能有二次污染物质生成;吸附法吸附速率较慢,部分易脱附等;低温等离子技术法存在设备较贵,耗能较高,且产生二次污染物如一氧化碳和臭氧等问题;光催化氧化法是目前研究的较多的一种,但需要紫外光能量,太阳光中紫外光所占比例又很少。而金属氧化物催化法在室温无光的条件下进行,反应条件温和,操作简便,吸附效果好,具有很好的发展前景。二氧化锰作为一种金属氧化物,由于其较低的比表面积,较小的孔容,无规则的孔道,因此在室温下催化效果相对较低,介孔二氧化锰材料具有较大的比表面积,相对大的孔径,可以处理较大的分子或基团,是很好的催化剂。
介孔材料一般是指孔径介于2~50nm的一类多孔材料,具有极高的比表面积、狭窄的孔径分布、孔径大小连续可调等特点,使其在吸附、分离,尤其是催化反应中发挥作用。介孔二氧化锰的具有非晶态二氧化锰所不具备的性质:高比表面积、大孔容、有序孔道等,使其能够在较低的温度吸附催化甲醛。介孔二氧化锰由于其价态的多变性以及其出色的阳离子交换能力、分子吸附及催化性能和优异的电磁性能,成为过渡金属介孔氧化物合成中的热点。由于其具有硅铝基介孔材料无法比拟的巨大优势,近年来已取得了迅速的发展。传统介孔二氧化锰多使用水热法合成,但有产物纯度较低、反应不易控制、均匀性差等缺陷。而溶胶凝胶法将金属醇盐或无机盐等前驱体溶于水或有机溶剂,在低温下通过水解、聚合等化学反应,形成溶胶,再转化为具有一定空间结构的凝胶。通过将凝胶陈化、干燥及热处理或添加改性剂来进行控制。陈化能增加凝胶骨架的强度,减少干燥过程中的收缩,获得较大的孔径和孔隙率热处理的过程则是在较高温度下处理,由于孔壁表面张力的作用将减小孔径和孔隙率加改性剂的作用与陈化作用相似。此法反应过程易控制、设备简单、成本低,制备出的介孔固体具有纯度高、均匀性好、易于掺杂等优点。
发明内容
本发明要解决目前二氧化锰比表面积低、孔容小、在室温下催化降解甲醛效果较低等缺点;而水热法制备介孔二氧化锰制备繁琐、纯度不高、反应不易控制、均匀性差等问题,本发明提供了一种用溶胶凝胶法以P123和高锰酸钾为原料制备介孔二氧化锰催化剂的制备方法。
具体技术方案如下:
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比5/1-30/1的比例分别溶解于适量去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为3-8,再在20-80℃下搅拌,搅拌速度为100-300转/分钟,然后将混合液静置,静置温度为20-40℃;
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,然后把所得粉体放入烘箱中,干燥得到黑色粉体;
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体用无水乙醇进行萃取,萃取完后,将其置于干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料。
本发明步骤(一)中所述的高锰酸钾和P123的摩尔比为5/1-20/1。
本发明步骤(一)中所述的搅拌温度优选为20-50℃。
本发明步骤(一)中所述的pH优选为3-7。
本发明步骤(一)中所述的搅拌速度优选为200-300转/分钟。
本发明步骤(一)中所述的静置温度优选为20-30℃。
本发明的有益效果是:
(1)、本发明制备出的介孔二氧化锰具有较大的比表面积,较高的稳定性,可保持较长时间的催化活性。
(2)、本发明方法制备的介孔二氧化锰具有较高的甲醛降解效率。
(3)、本发明方法制备介孔二氧化锰的方法简便、步骤简单、操作容易。
作用原理:使用非离子型两亲性三嵌段共聚物P123的亲液液晶中间相作为结构导向剂,制备了具有无规则孔道结构的介孔二氧化锰催化剂,其对比于商用二氧化锰具有较高的比表面积与较大的孔容,在催化反应中可以吸附更多的水与甲醛,提高了反应物浓度,同时较高的比表面积也提供了更多的反应位点,使其对甲醛的催化降解效率显著提高。
附图说明
图1是实施例1至例6所得介孔二氧化锰的XRD图。
图2是实施例1至例6与对比例1所得介孔二氧化锰的催化活性图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比5/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为3,再在20℃下搅拌24小时,搅拌速度为200转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为30℃;
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体;
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体放入索式萃取器中,用无水乙醇进行萃取24h,萃取完后,将其置于80℃干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料,记为1。采用日本Rigaku公司的Max-2600型X射线粉末衍射仪对材料进行表征分析,选用Cu靶的Kα射线作为光源,λ=0.15418nm。对于所得样品,2θ扫描角度范围为10°至90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10°/min,结果总结在附图1。
(四)、用石英棉两边包裹0.5g催化剂放置在恒温烘箱中的密封玻璃管中,设置烘箱温度为25℃;接着开启氮气与氧气钢瓶,将氮气(流量为140sccm)与氧气(流量为60sccm)的混合气通入气体流量计,使混合气通过0℃水浴的0.1%的甲醛溶液,经鼓泡法鼓出甲醛溶液中的甲醛气体(浓度在3-4ppm);该甲醛气体经过恒温烘箱内的玻璃管与催化剂进行反应,测试时分别利用甲醛浓度测试仪在玻璃管进口气阀处测出反应器前端甲醛浓度C1,在玻璃管后端出口气阀处测出反应器后端甲醛浓度C2,根据公式(1)即可计算出该时刻催化剂对甲醛的催化效率,该效率总结在图2中。最后在装置后端盛装500ml水的烧杯中进行未降解甲醛气体的回收。
实施例2
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比10/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为3,再在50℃下搅拌24小时,搅拌速度为300转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为20℃;
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体;
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体放入索式萃取器中,用无水乙醇进行萃取24h,萃取完后,将其置于80℃干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料,记为2。采用日本Rigaku公司的Max-2600型X射线粉末衍射仪对材料进行表征分析,选用Cu靶的Kα射线作为光源,λ=0.15418nm。对于所得样品,2θ扫描角度范围为10°至90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10°/min,结果总结在附图1。采用实施例一(四)中的所述方法测试催化剂的活性,并总结在附图2中。
实施例3
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比20/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为8,再在50℃下搅拌24小时,搅拌速度为100转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为40℃;
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体;
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体放入索式萃取器中,用无水乙醇进行萃取24h,萃取完后,将其置于80℃干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料,记为3。采用日本Rigaku公司的Max-2600型X射线粉末衍射仪对材料进行表征分析,选用Cu靶的Kα射线作为光源,λ=0.15418nm。对于所得样品,2θ扫描角度范围为10°至90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10°/min,结果总结在附图1。采用实施例一(四)中的所述方法测试催化剂的活性,并总结在附图2中。
实施例4
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比30/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为7,再在80℃下搅拌24小时,搅拌速度为200转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为30℃;
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体;
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体放入索式萃取器中,用无水乙醇进行萃取24h,萃取完后,将其置于80℃干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料,记为4。采用日本Rigaku公司的Max-2600型X射线粉末衍射仪对材料进行表征分析,选用Cu靶的Kα射线作为光源,λ=0.15418nm。对于所得样品,2θ扫描角度范围为10°至90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10°/min,结果总结在附图1。采用实施例一(四)中的所述方法测试催化剂的活性,并总结在附图2中。
实施例5
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比10/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为7,再在25℃下搅拌24小时,搅拌速度为200转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为25℃。
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体。
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体放入索式萃取器中,用无水乙醇进行萃取24h,萃取完后,将其置于80℃干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料,记为5。采用日本Rigaku公司的Max-2600型X射线粉末衍射仪对材料进行表征分析,选用Cu靶的Kα射线作为光源,λ=0.15418nm。对于所得样品,2θ扫描角度范围为10°至90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10°/min,结果总结在附图1。采用实施例一(四)中的所述方法测试催化剂的活性,并总结在附图2中。
实施例6
一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比5/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为7,再在50℃下搅拌24小时,搅拌速度为300转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为30℃。
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体。
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体放入索式萃取器中,用无水乙醇进行萃取24h,萃取完后,将其置于80℃干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料,记为6。采用日本Rigaku公司的Max-2600型X射线粉末衍射仪对材料进行表征分析,选用Cu靶的Kα射线作为光源,λ=0.15418nm。对于所得样品,2θ扫描角度范围为10°至90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10°/min,结果总结在附图1。采用实施例一(四)中的所述方法测试催化剂的活性,并总结在附图2中。
对比例1
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比5/1的比例分别溶解于100毫升去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为7,再在50℃下搅拌24小时,搅拌速度为300转/分钟,然后将混合液静置24h,静置温度为30℃。
(二)、将步骤一所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,重复三次,然后把所得粉体放入80℃烘箱中,干燥24h得到黑色粉体,记为对比例1。
采用实施例一(四)中的所述方法测试催化剂的活性,并总结在附图2中。
上述的具体实施方式是示例性的,是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利,不能理解为是对本专利包括范围的限制;只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰,均落入本专利包括的范围。
Claims (6)
1.一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,其特征在于该介孔二氧化锰催化剂的制备方法包括以下步骤:
(一)、将高锰酸钾与P123按摩尔比5/1-30/1的比例分别溶解于适量去离子水中,然后均匀混合,用甲酸调节pH为3-8,再在20-80℃下搅拌,搅拌速度为100-300转/分钟,然后将混合液静置,静置温度为20-40℃;
(二)、将步骤(一)所得静置溶液过滤,用蒸馏水洗涤,然后把所得粉体放入烘箱中,干燥得到黑色粉体;
(三)、将步骤(二)干燥得到的黑色粉体用无水乙醇进行萃取,萃取完后,将其置于干燥箱中,干燥后得到一种可直接用来降解甲醛的介孔二氧化锰催化剂材料。
2.根据权利要求1所述的一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,其特征在于所述步骤(一)中高锰酸钾和P123的摩尔比为5/1-20/1。
3.根据权利要求1所述的一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,其特征在于所述步骤(一)中的搅拌温度为20-50℃。
4.根据权利要求1所述的一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,其特征在于所述步骤(一)中的pH为3-7。
5.根据权利要求1所述的一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,其特征在于所述步骤(一)中的搅拌速度为200-300转/分钟。
6.根据权利要求1所述的一种介孔二氧化锰催化剂的制备方法,其特征在于所述步骤(一)中的静置温度为20-30℃。
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