CN113398941A - 一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺及其产品。将硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧与水混合；调节pH值，在一定温度下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入一定流速的空气，在一定功率下放电2h后停止，得到所需催化剂材料。本发明能够在低温下实现碳烟催化燃烧催化剂的高活性，同时所制备的催化剂材料具制备工艺简单与经济低成本等特点。

Description

一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺及其产品
技术领域
本发明涉及材料制备领域，涉及一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺及其产品，具体涉及一种用于碳烟燃烧的改性复合氧化物催化新材料的合成方法及其产品。
背景技术
相比较于汽油发动机，柴油发动机热效率更高，可用功率范围更广，但是柴油发动机尾气中往往含有大量的碳烟颗粒物。碳烟是大气细颗粒物的主要成分之一，且作为PM2.5的主要前驱体之一，对大气环境和人体健康具有显著的影响与危害。目前，在碳烟颗粒的处理技术中最引人瞩目的是催化燃烧技术。用颗粒过滤器收集碳烟颗粒，同时碳烟颗粒在高活性碳烟燃烧催化剂的作用下被氧化为CO2，这是减少碳烟颗粒物污染的最直接有效的处理方法。因此，高活性催化剂的制备也就成了催化燃烧去除碳烟颗粒物技术的最核心内容。根据大量的催化剂研究总结，可将碳烟催化燃烧催化剂可分为贵金属催化剂与非贵金属氧化物催化剂。Pt、Pd等贵金属催化剂的催化活性往往很高，还能同时有效去除尾气中的氮氧化物，但是贵金属的经济成本越来越高，其高昂的成本使其在实际应用中受限。
当前，有关非贵金属催化剂的研发成为学术研究的重点。尽管相关的研究发明很多，但是常规方法制备的非贵金属催化剂还是存在催化活性偏低的缺点。因此，探索新的催化剂制备工艺迫在眉睫。近年来，低温等离子体技术作为提高催化剂活性的工艺，已被学术界逐步接受。目前，多数文献报道将低温等离子体技术用以负载型催化剂的制备，以此提高催化剂载体表面活性中心的分散度，从而提高所制备催化剂的催化活性。在我们的前期研究中发现，除了提高活性中心的分散度，低温等离子体还能够改变催化剂的表面结构，而催化剂的表面结构与催化剂的催化活性又息息相关。
本发明基于传统的共沉淀法工艺，提出以低温等离子体工艺进行改良，最终制备出高活性的非贵金属催化新材料。该催化剂的制备工艺简单，经济成本低廉，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明的一个目的在于为了克服现有技术的缺点与不足，以低温等离子体技术为核心，提供一种改性复合氧化物催化剂体系的制备方法。所述方法能够在低温下实现碳烟催化燃烧催化剂的高活性，同时所制备的催化剂材料具制备工艺简单与经济低成本等特点。
本发明的目的通过下述方案实现：
本发明提供的改性复合氧化物催化剂的制备方法：采用特定的硝酸盐为原料，以无机碱为pH调节剂，以水为溶剂，按下述步骤依次进行：
(1)取适量硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧与水混合，搅拌直至完全溶解；
(2)加入浓度为1mol/L的强碱至所需pH值，在一定温度下放置老化，得到所需的混合物；
(3)用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；
(4)将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；
(5)向低温等离子体反应器中通入一定流速的空气，在一定功率下放电2h后停止，得到所需催化剂材料。
作为优选，步骤(1)中，硝酸盐总浓度为0.2～2mol/L；
作为优选，步骤(1)中，硝酸铜与硝酸镧的摩尔比例为1：1～1：4，硝酸铈与硝酸镧的摩尔比例为1：1～1：2；
作为优选，步骤(2)中，pH值范围为9～12；老化温度为30～90℃；
作为优选，步骤(5)中的空气流速为150～300mL/min；
作为优选，步骤(5)中的低温等离子体放电功率为30～50W。
本发明的另一个目的是提供一种高效的碳烟脱除催化剂。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：1、本发明的催化剂制备工艺简单，生产周期短，效率高；2、本发明避免了传统高温煅烧工艺，避免了高温热处理所导致的活性中心聚集问题。
本发明基于传统共沉淀法制备催化剂的基础上，采用低温等离子体工艺处理催化剂前驱体，最终得到所需催化剂。在上述化学制备过程中，制备高活性碳烟燃烧催化剂的关键技术在于催化剂前驱体结构的控制与等离子处理下活性中心的相互掺杂。具体反应原理如下：
首先制得无定型结构的催化剂前驱体，又以低温等离子体轰击催化剂前驱体，从而制得所需改性复合氧化物催化剂。由于催化剂前驱体呈现无定型结构，在极为活泼的高能电子的轰击作用下，多种活性中心能够更好地相互掺杂，甚至是最终进入彼此之间的晶格。所形成的晶格缺陷具有优良的活化氧气的作用，能够使得碳烟在较低的温度下就能够被催化氧化。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
实施例1
取一定总浓度的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧(nCu:nLa＝1:1,nCe:nla＝1:1)与水混合，搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至pH＝10，在60℃下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入流速为150mL/min的空气，在40W的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。硝酸盐总浓度对于催化剂催化活性的影响如表1所示。
表1硝酸盐总浓度对于复合氧化物的催化性能影响
硝酸盐总浓度(mol/L) 碳烟起燃温度(℃) 碳烟完全催化燃烧温度(℃)
0.2 260 420
0.5 257 415
1 256 415
2 256 419
实施例2
取总浓度为1mol/L的一定摩尔比的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧与水混合，(其中nCe:nla固定为1:1)搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至pH＝10，在60℃下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入流速为150mL/min的空气，在40W的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。硝酸铜与硝酸镧摩尔比对于催化剂催化活性的影响如表2所示。
表2硝酸铜与硝酸镧摩尔比对于复合氧化物的催化性能影响
n<sub>Cu</sub>:n<sub>La</sub> 碳烟起燃温度(℃) 碳烟完全催化燃烧温度(℃)
1 256 415
2 270 425
4 273 430
实施例3
取总浓度为1mol/L的一定摩尔比的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧与水混合，(其中nCu:nla固定为1:1)搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至pH＝10，在60℃下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入流速为150mL/min的空气，在40W的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。硝酸铈与硝酸镧摩尔比对于催化剂催化活性的影响如表3所示。
表3硝酸铈与硝酸镧摩尔比对于复合氧化物的催化性能影响
n<sub>Ce</sub>:n<sub>La</sub> 碳烟起燃温度(℃) 碳烟完全催化燃烧温度(℃)
1 256 415
1.5 250 402
2 252 412
实施例4
取总浓度为1mol/L的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧(nCu:nLa＝1:1,nCe:nla＝1:1)与水混合，搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至pH＝10，在一定温度下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入流速为150mL/min的空气，在40W的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。老化温度对于催化剂催化活性的影响如表4所示。
表4老化温度对于复合氧化物的催化性能影响
Figure BDA0003093092610000041
Figure BDA0003093092610000051
实施例5
取总浓度为1mol/L的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧(nCu:nLa＝1:1,nCe:nla＝1:1)与水混合，搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至一定的pH，在60℃下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入流速为150mL/min的空气，在40W的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。沉淀pH值对于催化剂催化活性的影响如表5所示。
表5沉淀pH值对于复合氧化物的催化性能影响
沉淀pH值 碳烟起燃温度(℃) 碳烟完全催化燃烧温度(℃)
9 256 415
10 256 415
12 261 420
实施例6
取总浓度为1mol/L的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧(nCu:nLa＝1:1,nCe:nla＝1:1)与水混合，搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至pH＝10，在60℃下放置老化，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入一定流速的空气，在40W的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。老化温度对于催化剂催化活性的影响如表6所示。
表6空气流速对于复合氧化物的催化性能影响
Figure BDA0003093092610000052
Figure BDA0003093092610000061
实施例7
取总浓度为1mol/L的硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧(nCu:nLa＝1:1,nCe:nla＝1:1)与水混合，搅拌直至完全溶解；加入浓度为1mol/L的氢氧化钠至pH＝10，在60℃下放置老化2小时，得到所需的混合物；用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥；将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；向低温等离子体反应器中通入流速为150mL/min的空气，在一定的放电功率下放电2h后，得到所需催化剂材料。将所得催化剂进行模拟碳烟的催化燃烧实验。放电功率对于催化剂催化活性的影响如表7所示。
表7放电功率对于复合氧化物的催化性能影响
放电功率(W) 碳烟起燃温度(℃) 碳烟完全催化燃烧温度(℃)
30 256 415
40 255 414
50 258 420

Claims (8)

1.一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、取适量硝酸铜，硝酸铈，硝酸镧与水混合，搅拌直至完全溶解；
步骤(2)、加入强碱至所需pH值，在一定温度下放置老化，得到所需的混合物；
步骤(3)、用去离子水过滤洗涤上述混合物，并干燥，得到干燥后的催化剂前驱体；
步骤(4)、将干燥后的催化剂前驱体放入低温等离子体反应器中，并使其处在放电区中；
步骤(5)、向低温等离子体反应器中通入一定流速的空气，在一定功率下放电2h后停止，得到所需催化剂材料。
2.根据权利要求1所述的一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于步骤(1)中，硝酸盐总浓度为0.2～2mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于步骤(1)中硝酸铜与硝酸镧的摩尔比例为1：1～1：4，硝酸铈与硝酸镧的摩尔比例为1：1～1：2。
4.根据权利要求1所述的一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于步骤(2)中pH值范围为9～12。
5.根据权利要求1所述的一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于步骤(2)中老化温度为30～90℃。
6.根据权利要求1所述的一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于步骤(5)中的空气流速为150～300mL/min。
7.根据权利要求1所述的一种高效的碳烟脱除催化剂的制备工艺，其特征在于步骤(5)中的低温等离子体放电功率为30～50W。
8.一种高效的碳烟脱除催化剂，采用权利要求1-7任一所述的工艺制备得到。
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SEYYED EBRAHIM MOUSAVI等: "Preparation, Characterization and Optimization of High Surface Area Ce-La-Cu Ternary Oxide Nanoparticles", 《JOURNAL OF SURFACE SCIENCE AND NANOTECHNOLOGY》 *

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CN115845911A (zh) * 2021-09-23 2023-03-28 重庆理工大学 一种Mn基低温C3H6-SCR催化剂的制备方法和应用

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