CN113398904A - 一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法及应用,首先通过热电材料对二氧化钛纳米管外表面修饰,然后利用真空辅助超声浸渍的方法结合焙烧等工艺制备了热电材料表面修饰的二氧化钛纳米管限域过渡态金属氧化物活性组元的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂,构建热电‑限域协同光热催化氧化构效体系,充分利用光能、热能及电能之间的相互作用,光‑热‑电协同来有效调控纳米管限域组元的催化特性从而实现对内嵌过渡态金属氧化物活性组元的电子特性与结构的调控,实现光能利用的最大化及性能的最优化,实现中低温高效快速催化氧化VOCs。
Description
技术领域:
本发明涉及光催化技术领域,具体涉及一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法及应用。
背景技术:
挥发性有机物(VOCs),如乙烯、苯、甲苯、甲醛等,具有毒性或者难闻的气味,并且可以和其他空气污染物(如O3,NOx和SOx等)在一定情况下反应造成严重的光化学污染,严重破坏环境,影响人们的身体健康。针对VOCs的防护与治理,光热协同催化为目前的困境打开了一扇希望之门,一方面,光辅助可以通过晶格中激发氧使得有机物活化能降低;另一方面也,无需在较高温度下便可以提高晶格氧从体内到表面的扩散速度。然而目前光热催化的催化效率太低,还不能满足工业需求。热电材料可以在一定的热势差作用下,热电材料内部的电子和空穴会发生定向移动,构建合适的电子分布,形成热电电势差,有利于催化效率的提升。但是,由于在微纳米尺度建立较大的热电势差并不容易,这也就需要设计独特结构的材料将热电效应最大化。
发明内容:
本发明的目的是提供一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法及应用,首先通过热电材料对二氧化钛(TiO2)纳米管外表面修饰,然后利用真空辅助超声浸渍的方法结合焙烧等工艺制备了热电材料表面修饰的二氧化钛纳米管限域过渡态金属氧化物活性组元的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂,利用光热势差形成的电场对纳米管内外电子云环境调变,设计了内部限域外部热电修饰的独特结构材料,构建热电-限域协同光热催化氧化构效体系,充分利用光能、热能及电能之间的相互作用,在微纳米尺度建立热电势差,有效调节二氧化钛纳米管内外电子分布状态,实现光能有效利用,通过光-热-电协同来有效调控纳米管限域组元的催化特性的策略从而实现对内嵌过渡态金属氧化物活性组元的电子特性与结构的调控,达到提升催化剂的催化氧化VOCs能力,实现中低温高效快速催化氧化VOCs。
本发明是通过以下技术方案予以实现的:
一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法,该方法包括以下步骤:
1)按照摩尔比为1:2.5-3.5的配比称取金属氯化物和氧化物,然后和乙二醇混合,100–
120℃的油浴中搅拌得到澄清溶液;所述金属氯化物选自氯化铋(BiCl3)或氯化锑(SbCl3)中一种,氧化物选自氧化硒(SeO2)或氧化碲(TeO2)中的一种;
2)向步骤1)所得的溶液中加入与BiCl3或SbCl3摩尔比为(0.5–5):1的二氧化钛纳米管(NTTiO2),继续搅拌12h,然后缓慢滴加4–10mL水合肼,并将其置于160–200℃的油浴中冷凝回流24-36h,所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在60–100℃烘箱中干燥12h,得到Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3或Sb2Se3中的任一种热电材料修饰的NTTiO2,记为Bi2Se3@NTTiO2、Sb2Te3@NTTiO2、Bi2Te3@NTTiO2或Sb2Se3@NTTiO2;
3)称取步骤2)所得500mg Bi2Se3@NTTiO2、Sb2Te3@NTTiO2、Bi2Te3@NTTiO2或Sb2Se3@NTTiO2,将4–10mL 0.01g/mL过渡态金属醇溶液分多次滴加入,并在-0.05MPa~-0.1MPa负压下快速干燥其中的乙醇,最后将其置于管式炉中,在99.99–99.999%氮气气氛中100–500℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化铋、碲化锑、碲化铋或硒化锑中的任一种热电材料修饰的二氧化钛纳米管的催化剂。
优选地,按照摩尔比为1:3的配比称取金属氯化物和氧化物。
所述过渡态金属醇溶液为硝酸镧醇溶液、硝酸铈醇溶液、硝酸铜醇溶液、硝酸钴醇溶液、硝酸铁醇溶液、硝酸镍醇溶液、硝酸锰醇溶液、硝酸铬醇溶液、硝酸锆醇溶液的一种或其混合溶液。
本发明还保护上述催化剂在催化氧化VOCs的应用,包括以下步骤:将上述催化剂置于光催化反应器中,将VOCs气体和干燥空气按照(0.5–2):10的比例通入,使用循环冷凝机器固定光催化反应器的温度至20–30℃,采用模拟太阳光源照射上述催化剂。
本发明的有益效果如下:
1)本发明设计了内部限域外部热电修饰的独特结构材料,构建热电-限域协同光热催化氧化构效体系,充分利用光能、热能及电能之间的相互作用,光-热-电协同来有效调控纳米管限域组元的催化特性从而实现对内嵌过渡态金属氧化物活性组元的电子特性与结构的调控,实现光能利用的最大化及性能的最优化。
2)通过不同种类、不同形貌及不同负载量的热电材料的结构和材料设计,达到提升催化剂的催化氧化VOCs能力,实现中低温高效快速催化氧化VOCs。
附图说明:
图1是本发明实施例1制备的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@CeO2的形貌图,图中标尺为1μm。
图2是本发明实施例1制备的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@CeO2的XRD照片。
图3是本发明对比例1制备的未修饰Bi2Se3的二氧化钛纳米管(NTTiO2)限域CeO2的催化剂NTTiO2@CeO2形貌图,图中标尺为1μm。
图4是本发明对比例2制备的Bi2Se3修饰的二氧化钛纳米管(NTTiO2)的催化剂Bi2Se3@NTTiO2的形貌图,图中标尺为1μm。
图5是本发明实施例2制备的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Te3@NTTiO2@CuO的形貌图,图中标尺为1μm。
图6是本发明实施例3制备的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@LaO2的形貌图,图中标尺为1μm。
图7是本发明实施例1制备的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@CeO2的光催化和热催化氧化VOCs的性能图及Bi2Se3和NTTiO2@CeO2的光催化氧化VOCs的性能图。
具体实施方式:
以下是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。
实施例1:
(1)按照摩尔比例1:3称取BiCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将烧瓶至于100℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与BiCl3摩尔比为1的二氧化钛纳米管(NTTiO2),继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于160℃的油浴中冷凝回流36h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在80℃烘箱中干燥12h,得到Bi2Se3修饰的NTTiO2,记为Bi2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg Bi2Se3@NTTiO2,将4mL 0.01g/mL硝酸铈(Ce(NO3)3醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气(99.999%)气氛中100℃退火4h,得到氧化铈(CeO2)内嵌于Bi2Se3修饰的NTTiO2的催化剂,记为Bi2Se3@NTTiO2@
CeO2,其形貌如图1所示;其XRD图谱如图2所示,其中包括Bi2Se3和TiO2,其中少量CeO2颗粒由于尺寸太小以及加入量太少,超出了仪器的探测极限,无明显的特征峰。
对比例1:
参考实施例1,不同之处在于二氧化钛纳米管(NTTiO2)没用Bi2Se3修饰。得到的NTTiO2@CeO2其形貌如图3所示。
对比例2:
参考实施例1,不同之处在于没有步骤(5)。得到的Bi2Se3@NTTiO2其形貌如图4所示。
实施例2:
(1)按照摩尔比例1:3称取BiCl3和TeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将烧瓶至于120℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与BiCl3摩尔比例为5的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h。
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于200℃的油浴中冷凝回流24h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在60℃烘箱中干燥12h,得到硒化铋修饰的二氧化钛纳米管,记为Bi2Te3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg硒化铋修饰的二氧化钛纳米管,将8mL 0.01g/mL硝酸
铜醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气(99.99%)气氛中500℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化铋修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Bi2Te3@NTTiO2@CuO,其形貌如图5所示。
实施例3:
(1)按照摩尔比例1:3称取BiCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将烧
瓶至于120℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与BiCl3摩尔比例5的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加10mL水合肼,并将其置于180℃的油浴中冷
凝回流36h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在100℃烘
箱中干燥12h,得到硒化铋修饰的二氧化钛纳米管,记为Bi2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg硒化铋修饰的二氧化钛纳米管,将10mL 0.01g/mL硝
酸镧(La(NO3)3)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa
下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.999%)300℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化铋修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,
记为Bi2Se3@NTTiO2@LaO2,其形貌如图6所示。
实施例4:
将实施例1中制备的中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@CeO2、对比例1中制备的催化剂NTTiO2@CeO2和对比例2中制备的催化剂Bi2Se3@NTTiO2用于催化氧化VOCs,其中VOCs选取乙烯作为目标分子,具体步骤如下:
(1)将中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@CeO2置于具有石英玻璃可视窗的光催化反应器中,旋紧反应器并持续通入10%乙烯和90%干燥空气5分钟,气体总流速为40mL/min。将反应器置于循环冷凝水中,保持外部环境温度为25℃。
(2)提前20min将氙灯光源预热后,将其至于可视窗口处,通过伸入反应器中的热电偶实时测定温度。
(3)在气体出口处定时收集气体,并通过气相色谱方法检测气体中乙烯和二氧化碳的比例。
如图7所示即为中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂Bi2Se3@NTTiO2@CeO2的催化氧化乙烯性能与对比例及传统热催化剂的性能对比。
实施例5:
(1)按照摩尔比例1:3称取SbCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将烧瓶至于100℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与SbCl3摩尔比例4的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于160℃的油浴中冷
凝回流24h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在100℃烘
箱中干燥12h,得到硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,记为Sb2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,将10mL 0.01g/mL硝
酸钴(Co(NO3)2)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa
下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.999%)300℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化锑修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Sb2Se3@NTTiO2@CoO。
实施例6:
(1)按照摩尔比例1:3称取SbCl3和TeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将
烧瓶至于120℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与SbCl3摩尔比例5的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h。
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加10mL水合肼,并将其置于200℃的油浴中冷
凝回流30h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在60℃烘箱中干燥12h,得到碲化锑修饰的二氧化钛纳米管,记为Sb2Te3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg碲化锑修饰的二氧化钛纳米管,将10mL 0.01g/mL硝
酸镍(Ni(NO3)2)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa
下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.99%)200℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于碲化锑修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Sb2Te3@NTTiO2@NiO。
实施例7:
(1)按照摩尔比例1:3称取SbCl3和TeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将
烧瓶至于120℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与SbCl3摩尔比例5的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加10mL水合肼,并将其置于200℃的油浴中冷
凝回流30h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在60℃烘箱中干燥12h,得到碲化锑修饰的二氧化钛纳米管,记为Sb2Te3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg碲化锑修饰的二氧化钛纳米管,将10mL 0.01g/mL硝
酸铬(Cr(NO3)3)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa
下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.99%)200℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于碲化锑修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Sb2Te3@NTTiO2@Cr2O3。
实施例8:
(1)按照摩尔比例1:3称取SbCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将
烧瓶至于100℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与SbCl3摩尔比例4的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于160℃的油浴中冷凝回流24h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在100℃烘箱中干燥12h,得到硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,记为Sb2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,将10mL 0.01g/mL硝酸锆(Zr(NO3)4)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.999%)300℃
退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化锑修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Sb2Se3@NTTiO2@ZrO2。
实施例9:
(1)按照摩尔比例1:3称取BiCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将烧瓶至于100℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与BiCl3摩尔比为1的二氧化钛纳米管(NTTiO2),继续搅拌12h。
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于160℃的油浴中冷凝回流36h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在80℃烘箱中干燥12h,得到Bi2Se3修饰的NTTiO2,记为Bi2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg Bi2Se3@NTTiO2,将4mL 0.01g/mL硝酸锰(Mn(NO3)2)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气(99.999%)气氛中100℃退火4h,得到氧化锰(MnO2)内嵌于Bi2Se3修饰的NTTiO2的催化剂,记为Bi2Se3@NTTiO2@MnO2。
实施例10:
(1)按照摩尔比例1:3称取SbCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将烧瓶至于100℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与SbCl3摩尔比例4的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于160℃的油浴中冷凝回流24h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在100℃烘箱中干燥12h,得到硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,记为Sb2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,将10mL 0.01g/mL硝酸铁(Fe(NO3)3)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.999%)300℃
退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化锑修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Sb2Se3@NTTiO2@Fe2O3。
实施例11:
(1)按照摩尔比例1:3称取SbCl3和SeO2放置于盛有一定量乙二醇的圆底烧瓶中,将
烧瓶至于100℃的油浴中搅拌3h得到澄清溶液。
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入与SbCl3摩尔比例4的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h.
(3)向步骤(2)所得的溶液中缓慢滴加4mL水合肼,并将其置于160℃的油浴中冷
凝回流24h。
(4)将步骤(3)所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在100℃烘
箱中干燥12h,得到硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,记为Sb2Se3@NTTiO2。
(5)称取步骤(4)所得500mg硒化锑修饰的二氧化钛纳米管,将5mL 0.01g/mL硝酸
铁(Fe(NO3)3)醇溶液和5mL 0.01g/mL硝酸锰(Mn(NO3)2)醇溶液分多次滴加到二氧化钛纳米管中,并在-0.05MPa~-0.1MPa下快速干燥其中的乙醇。最后将其置于管式炉中,在氮气气氛中(99.999%)300℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化锑修饰的二氧化钛纳米管的催化剂,记为Sb2Se3@NTTiO2@Fe2O3&MnO2。
Claims (4)
1.一种中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)按照摩尔比为1:2.5-3.5的配比称取金属氯化物和氧化物,然后和乙二醇混合,100–120℃的油浴中搅拌得到澄清溶液;所述金属氯化物选自氯化铋或氯化锑中一种,氧化物选自氧化硒或氧化碲中的一种;
2)向步骤1)所得的溶液中加入与氯化铋或氯化锑摩尔比为(0.5–5):1的二氧化钛纳米管,继续搅拌12h,然后缓慢滴加4–10mL水合肼,并将其置于160–200℃的油浴中冷凝回流24–36h,所得溶液冷却至室温后,过滤并用水和乙醇多次洗涤,并在60–100℃烘箱中干燥12h,得到Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3或Sb2Se3中的任一种热电材料修饰的NTTiO2,记为Bi2Se3@NTTiO2、Sb2Te3@NTTiO2、Bi2Te3@NTTiO2或Sb2Se3@NTTiO2;
3)称取步骤2)所得500mg Bi2Se3@NTTiO2、Sb2Te3@NTTiO2、Bi2Te3@NTTiO2或Sb2Se3@NTTiO2中的任一种,将4–10mL 0.01g/mL过渡态金属醇溶液分多次滴加入,并在-0.05MPa~-0.1MPa负压下快速干燥其中的乙醇,最后将其置于管式炉中,在99.99–99.999%氮气气氛中100–500℃退火4h,得到过渡态金属氧化物内嵌于硒化铋、碲化锑、碲化铋或硒化锑中的任一种热电材料修饰的二氧化钛纳米管的催化剂。
2.根据权利要求1所述中低温光热电协同催化氧化VOCs的催化剂的制备方法,其特征在于,所述过渡态金属醇溶液为硝酸镧醇溶液、硝酸铈醇溶液、硝酸铜醇溶液、硝酸钴醇溶液、硝酸铁醇溶液、硝酸镍醇溶液、硝酸锰醇溶液、硝酸铬醇溶液、硝酸锆醇溶液的一种或其混合溶液。
3.权利要求1所述的制备方法得到的催化剂在催化氧化VOCs的应用,其特征在于,包括以下步骤:将所述催化剂置于光催化反应器中,将VOCs气体和干燥空气按照(0.5–2):10的比例通入,使用循环冷凝机器固定光催化反应器的温度至20–30℃,采用模拟太阳光源照射上述催化剂。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,VOCs气体为乙烯。
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