CN113680343B - 一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法，包括如下步骤：制备介孔CeO2纳米长方体；将介孔CeO2纳米长方体、四水合氯化亚锰、尿素加入水中，水浴加热，得到催化剂前驱体；对催化剂前驱体进行煅烧，得到三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂。一种上述制备方法所制得的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂用于VOCs的光热催化降解中的应用。有益效果是：三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备原料来源广泛、易得；按照合理配比确定各反应物的体积或者质量，能够提高制备物的纯度，提高光热催化降解活性；具有操作简单、安全、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光热催化剂及新材料技术领域，具体涉及一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法及其应用。
背景技术
目前，传统的光催化氧化有机污染物存在光催化利用率低、反应中间产物在催化剂表面沉积引起的催化剂失活等问题；热催化转化温度高、能耗高和包括热烧结、反应过程中的中间物种的毒化或H2O对活性位的占据所引起的稳定性差等问题。相比单一的光催化或热催化技术，光驱动的热催化反应能够有效地将吸收的太阳能转化为热能，使得催化体系温度升高，不仅降低了外加热源的能耗，能同时利用光能和热能两大反应推动力，还可以通过产生的协同效应增强反应效率。
锰氧化物中锰元素的多价氧化态和晶格氧的高迁移率，使其表现出高活性。在最近的研究中表明，催化活性还与催化剂的形貌有关。立方型结构的Mn2O3催化剂，具有高浓度的氧空穴和Mn3+，增强了其晶格氧的活性，提升了光热协同催化性能，表现出良好的催化活性。介孔型长方体CeO2催化剂不仅具有独特的储氧、放氧功能,还具有大比表面积。因此，选择介孔CeO2作为助剂可以提高Mn2O3的光热催化性能。Mn2O3与CeO2复合界面形成异质结，光热协同作用可以提高降解甲苯的催化活性，并且，Mn2O3立方体复合介孔CeO2纳米长方体的光热催化剂还尚未有相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法及其应用，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法，包括如下步骤：
S100、制备介孔CeO2纳米长方体；
S200、将介孔CeO2纳米长方体、四水合氯化亚锰、尿素加入水中，水浴加热，得到催化剂前驱体；
S300、对催化剂前驱体进行煅烧，得到三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，S100具体为：
S110、将六水合硝酸铈、尿素溶解在水中，得到混合液Ⅰ；
S120、对混合液Ⅰ进行水热反应，得到CeO2前驱体；
S130、对CeO2前驱体进行煅烧，得到介孔CeO2纳米长方体。
进一步，S120中，水热反应的温度为180℃，时间为16h。
进一步，S130中，煅烧温度为400℃，时间为4h。
进一步，混合液Ⅰ中六水合硝酸铈的量为22.5g，尿素的量为9.3g，水的体积为60ml。
进一步，S200中水浴加热的温度为160℃，时间为12h。
进一步，CeO2纳米粒与四水合氯化亚锰的摩尔比为1:100～1:10。
进一步，S300中，煅烧温度为550℃，时间为5h。
一种由上述制备方法所制得的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂用于VOCs的光热催化降解中的应用。
本发明的原理是利用水热还原的方法得到三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂。
与现有技术相比，本发明的有益效益是：
以六水硝酸铈、四水氯化亚锰为原料，用二次水热的方法制得三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂；
首先用水热还原法制备CeO2纳米粒；再将所制备的CeO2纳米粒、四水合氯化亚锰和尿素加入到去离子水中，充分搅拌，水浴加热，得到催化剂前驱体；最后将催化剂前驱体在空气氛围下550℃煅烧5h，自然冷却，得到三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂；将所得光热催化剂用于降解低浓度甲苯；
本发明的有益效果是采用二次水热还原制备工艺制得活性高的复合光热催化剂；其在氙灯照射下发挥出较高的氧化还原活性，对低浓度甲苯的降解效率高；
三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备原料来源广泛、易得；按照合理配比确定各反应物的体积或者质量，能够提高制备物的纯度，提高光热催化降解活性；本发明具有操作简单，能源利用率高，成本低廉等优点。
附图说明
图1中的曲线分别为Mn2O3、CeO2/Mn2O3-1、CeO2/Mn2O3-2、CeO2/Mn2O3-3、CeO2的XRD谱图；
图2为本发明制得的Mn2O3立方体、介孔CeO2纳米长方体、复合光热催化剂CeO2/Mn2O3-2的SEM图；
图3中曲线分别为CeO2、Mn2O3、CeO2/Mn2O3-1、CeO2/Mn2O3-2、CeO2/Mn2O3-3对甲苯气体的降解率曲线、以及二氧化碳的产率曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法，包括如下步骤：
S100、将22.5g六水合硝酸铈和9.3g尿素，溶解在60ml去离子水中,充分搅拌，得到混合溶液Ⅰ；
将混合溶液Ⅰ转移至高压反应釜中，在180℃下反应16h，待冷却后分离出白色沉淀物；
将白色沉淀物洗涤、干燥，得到CeO2前驱体；
将CeO2前驱体在马弗炉内400℃煅烧4h，得到介孔CeO2纳米长方体；
S200、将4.6g四水合氯化亚锰和4.5g尿素，溶解于50ml去离子水中，充分搅拌，再加入0.04g的介孔CeO2纳米长方体，得到混合溶液Ⅱ；
将混合溶液Ⅱ转移至高压反应釜中，在160℃下应12h，待冷却后分离出灰褐色沉淀物；
将灰褐色沉淀物洗涤、干燥，得到催化剂前驱体；
S300、将催化剂前驱体在空气氛围下550℃煅烧5h，自然冷却，得到三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂，记为CeO2/Mn2O3-1。
如图1所示，CeO2/Mn2O3-1样品XRD衍射峰位置与Mn2O3(JCPDS 24-0508)标准峰位置相同，表明复合催化剂中Mn2O3物相未发生改变；通过添加CeO2纳米粒，XRD图谱中出现CeO2的XRD衍射峰(JCPDS 81-0792)但强度很低，说明CeO2/Mn2O3-1复合材料制备成功，但是样品表面的CeO2含量很低。
实施例2
一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂的制备方法，采用与实施例1相同的方法，仅将其中介孔CeO2纳米长方体的添加量改为0.2g,制得三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂，记作CeO2/Mn2O3-2。
如图1所示，CeO2/Mn2O3-2样品XRD衍射峰位置与Mn2O3(JCPDS 24-0508)标准峰位置相同，表明复合催化剂中Mn2O3物相未发生改变；通过增加介孔CeO2纳米长方体，XRD图谱中出现CeO2的XRD衍射峰(JCPDS 81-0792)，说明CeO2/Mn2O3-2复合材料制备成功，且随着介孔CeO2纳米长方体投加量的增加，CeO2的XRD衍射峰的强度随着增加，说明CeO2/Mn2O3-2中CeO2含量增加。
图2中(a)、(b)、(c)分别为Mn2O3立方体、介孔CeO2纳米长方体、复合光热催化剂CeO2/Mn2O3-2的SEM图。
实施例3
一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂的制备方法，采用与实施例1相同的方法，仅将其中介孔CeO2纳米长方体的添加量改为0.4g,制得三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂，记作CeO2/Mn2O3-3。
在本发明中，所制备的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂的光热催化活性是通过光热催化降解甲苯气体进行评估的。实验过程如下：甲苯气体流量为12.5ml/min，空气流量为12.5ml/min，以氙灯为光源，首先通入甲苯和空气，待催化剂甲苯吸附饱和；在开启光源，每隔10min进样，通过气相色谱仪，检测动态环境中甲苯的气体含量，从而计算出一定时间内甲苯的降解率，进而对而可以对三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂的光热催化活性进行评估。
实施例1合成的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂在降解甲苯气体的实验中，催化剂使用量为0.1g，打开氙灯光照120min后甲苯的降解率约为58％(见图3a)，二氧化碳的产率约为50％(见图3b)；当使用0.1g的Mn2O3在氙灯光照时，对甲苯的降解率只有52％，二氧化碳产率只有33％，当使用0.1g的CeO2在氙灯光照时，对甲苯的降解率约为54％，二氧化碳产率约为37％，说明此方法制备的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂具有良好的光热催化活性。
实施例2合成的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂在降解甲苯气体的实验中，催化剂使用量为0.1g，打开氙灯光照120min后甲苯的降解率达到了88％(见图3a)，二氧化碳的产率达到了82％(见图3b)；当使用0.1g的Mn2O3在氙灯光照时，对甲苯的降解率只有52％，二氧化碳产率只有33％，当使用0.1g的CeO2在氙灯光照时，对甲苯的降解率约为54％，二氧化碳产率约为37％，说明此方法制备的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂具有良好的光热催化活性。
实施例3合成的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂在降解甲苯气体的实验中，催化剂使用量为0.1g，打开氙灯光照120min后甲苯的降解率约为48％(见图3a)，二氧化碳的产率约为41％(见图3b)；当使用0.1g的Mn2O3在氙灯光照时，对甲苯的降解率只有52％，二氧化碳产率只有33％，当使用0.1g的CeO2在氙灯光照时，对甲苯的降解率约为54％，二氧化碳产率约为37％，说明此方法制备的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂具有良好的光热催化活性，且介孔CeO2纳米长方体投加量在一定的范围内时，三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂的催化活性更好。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、制备介孔CeO2纳米长方体；
具体为：
S110、将六水合硝酸铈、尿素溶解在水中，得到混合液Ⅰ；
S120、对混合液Ⅰ进行水热反应，水热反应的温度为180℃，时间为16h，得到CeO2前驱体；
S130、对CeO2前驱体进行煅烧，煅烧温度为400℃，时间为4h，得到介孔CeO2纳米长方体；
S200、将介孔CeO2纳米长方体、四水合氯化亚锰、尿素加入水中，水浴加热，水浴加热的温度为160℃，时间为12h，得到催化剂前驱体；
S300、对催化剂前驱体进行煅烧，煅烧温度为550℃，时间为5h，得到三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂制备方法，其特征在于，CeO2纳米粒与所述四水合氯化亚锰的摩尔比为1:100～1:10。
3.一种如权利要求1或2所述制备方法所制得的三维立方CeO2/Mn2O3复合光热催化剂用于VOCs的光热催化降解中的应用。
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