CN115845928A - 一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂及其制备方法与应用，制备方法包括如下步骤：将六水硝酸铈溶液和均苯三酸溶液混合后离心、洗涤、干燥、研磨得白色粉末，然后将白色粉末、草酸铌铵、聚乙烯吡咯烷酮、DMF和氯铂酸水溶液200℃水热合成反应24h，得到灰色悬浊液离心、洗涤、干燥，450℃焙烧3h得到MOFs衍生核壳结构铈基催化剂。该催化剂在催化燃烧低浓度100#溶剂油反应中表现出较高的催化活性和稳定性，最佳反应条件下催化效率可达100％，CO2选择性可达到99.99％以上。本发明制备方法简单，物理和化学性质稳定，催化效率高，CO2选择性高，可用于普通家庭供暖系统降解VOCs。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
21世纪以来，挥发性有机化合物(VOCs)作为常见溶剂广泛应用于许多工业生产过程中，如石油化工、汽车尾气、电子材料和制药等行业。然而，由于VOCs的毒性和生物稳定性，其排放对人类健康和环境都构成了严重威胁。目前，人们在减少或消除VOCs排放方面已经做出了许多努力，其中催化燃烧法因其效率高、成本低、无二次污染等优点而备受关注。当催化剂材料的尺寸为纳米级别时，会出现表(界)面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、介电限域效应、宏观量子隧道效应等各种效应，使其物理化学性质与规整块状材料有显著差异，从而产生独特的催化燃烧性能。因此，工程纳米催化剂在环境治理、水体污染、光电产氢和绿色化学等领域一直受到广泛的关注。用于VOCs催化燃烧的催化剂主要有两种，分别是贵金属和过渡金属氧化物。与过渡金属氧化物相较，贵金属负载催化剂(Pt,Ru,Pd,Ag,Au等)在较低温度下具有更好的催化性能。文献1(J.Hazard.Mater.367(2019)568.)报道了一种三明治结构的Pt@ZSM-5纳米片甲苯氧化，由于铂纳米颗粒和Pt@ZSM-5催化剂中独特的多孔结构在176℃的甲苯催化燃烧转化率为98％，但以甲苯为VOCs代表种类单一无法考量工程排放的混合有机挥发性气体真实效果。文献2(Catal.Toady.375(2021)262.)报道了通过一锅法的溶剂热合成制备的Ag/Co3O4催化剂催化燃烧苯的T50％和T90％值分别低至181℃和201℃，但90％转化率对应的温度并不理想，无法实现家庭化低浓度的VOCs治理。VOCs的催化燃烧反应中，以甲苯为例，生成的产物可能存在CO2、CO、H2O等，其中CO与血红蛋白的结合，不仅降低血球携带氧的能力，而且还抑制，延缓氧血红蛋白(O2HB)的解析与释放，导致机体组织因缺氧而坏死，严重者则可能危及人的生命。CO2为无毒气体，广泛应用于合成纤维、水处理工艺中调控pH、焊接惰性保护气体、植物生长刺激剂，还应用于杀菌气的稀释剂等。根据甲苯催化燃烧反应产物的实际应用和低温高效催化燃烧VOCs催化剂发展现状，发展一种高效的新型负载型单原子铂MOFs衍生核壳结构铈基催化剂，在无外加供氧的情况下，实现高效低温催化燃烧低浓度混合VOCs，最终无副产物生成并高选择性地生成CO2有非常重要的科学意义和应用价值。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂及其制备方法与应用。
本发明采用的技术方案为：
一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂，载体是以CeMOFs材料为核、Nb2O5为壳，金属铂在载体上以原子级别分散；所述载体与金属铂的质量比为157.5:1。
上述的一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)用去离子水溶解六水硝酸铈形成溶液A，用去离子水和无水乙醇溶解均苯三酸形成溶液B，溶液A和溶液B混合后在室温下搅拌3h，将得到的白色悬浊液移入离心管内离心，用无水乙醇洗涤2～3次，80℃干燥过夜，研磨得到白色粉末；
2)将步骤1)得到的白色粉末、草酸铌铵、聚乙烯吡咯烷酮、60mL N,N-二甲基甲酰胺和4mL氯铂酸水溶液混合均匀并移入聚四氟乙烯反应釜内衬，将装有混合物的聚四氟乙烯反应釜内衬置于超声洗涤装置中超声30min后，移入水热合成反应釜200℃反应24h；
3)开釜后将得到的灰色悬浊液移入离心管内离心，将沉淀置于80℃的鼓风干燥箱内干燥12h；
4)取出干燥后固体粉末移入瓷舟置于马弗炉中在空气气氛下450℃焙烧3h，得到MOFs衍生核壳结构铈基催化剂。
进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述六水硝酸铈与均苯三酸的质量比为2:1。
进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述步骤1)得到的白色粉末、草酸铌铵、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:3:1。
进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述氯铂酸水溶液的配制方法为：取氯铂酸分散在水中充分搅拌得到分散液，浓度为0.01g/mL。
进一步的，上述的制备方法，步骤1)和步骤3)中，所述离心的条件为12000rad/min离心3分钟。
上述的MOFs衍生核壳结构铈基催化剂在催化燃烧低浓度溶剂油中的应用。
进一步的，上述的应用，方法如下：采用管式反应器进行溶剂油催化燃烧反应，将溶剂油、MOFs衍生核壳结构铈基催化剂、空气混合进入管式反应器，进口流量控制在2L/min以内，在120-240℃下反应3～24h；在管式反应器的进气口检测VOCs浓度，进气口VOCs浓度控制在100ppm以内，出气口检测CO、CO2和VOCs浓度。
更进一步的，上述的应用，所述溶剂油为100#溶剂油。
优选的，上述的应用，所述反应温度为150℃-240℃，反应时间为3-5小时。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过水热合成法制备的新型负载型单原子铂的MOFs衍生核壳结构铈基催化剂，铂在载体上以原子级别分散，投射电镜成像中能够明显的核壳结构，制备方法简单，物理和化学性质稳定。该催化剂对100#溶剂油催化燃烧反应具有较高的活性，且高选择性地生成目标产物CO2，可用于普通家庭供暖系统降解VOCs。
2、本发明制备的催化剂在催化燃烧低浓度100#溶剂油反应中表现出较高的催化活性，150℃催化燃烧效率高达91％以上，190℃催化燃烧效率高达100％，过程中无CO副产物生成，CO2选择性高达100％。
3、本发明制备的催化剂耐久性、稳定性较好，在210℃催化燃烧温度下连续工作10h，表现出较好的耐久性和催化燃烧稳定性。
附图说明
图1是MOFs衍生核壳结构铈基催化剂的扫描电镜图。
图2是MOFs衍生核壳结构铈基催化剂的XRD图。
图3是不同温度下MOFs衍生核壳结构铈基催化剂催化燃烧100#溶剂油的催化效率图。
图4是不同温度下MOFs衍生核壳结构铈基催化剂催化燃烧100#溶剂油反应中CO2浓度随时间的变化图。
图5是MOFs衍生核壳结构铈基催化剂在210℃下连续工作10h的活性测试图。
具体实施方式
实施例1MOFs衍生核壳结构铈基催化剂(Pt-CeMOF@Nb2O5)的制备
1)用去离子水溶解六水硝酸铈形成溶液A，用去离子水和无水乙醇溶解均苯三酸形成溶液B，六水硝酸铈与均苯三酸的质量比为2:1，溶液A和溶液B混合后在室温下搅拌3h，将得到的白色悬浊液移入离心管12000rad/min离心3min，用无水乙醇洗涤2～3次，80℃干燥过夜，研磨得到白色粉末；
2)按质量比3:3:1称量步骤1)得到的白色粉末、草酸铌铵、聚乙烯吡咯烷酮，量取60mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和4mL浓度为0.01g/mL的氯铂酸水溶液，混合均匀并移入聚四氟乙烯反应釜内衬，将装有混合物的聚四氟乙烯反应釜内衬置于超声洗涤装置中超声30min后，移入水热合成反应釜200℃反应24h；
3)开釜后将得到的灰色悬浊液移入离心管内12000rad/min离心3分钟，将沉淀置于80℃的鼓风干燥箱内干燥12h；
4)取出干燥后固体粉末移入瓷舟置于马弗炉中在空气气氛下450℃焙烧3h，得到MOFs衍生核壳结构铈基催化剂(Pt-CeMOF@Nb2O5)。
取少许制备的MOFs衍生核壳结构铈基催化剂分散于乙醇中，超声10min后将分散后的样品滴在铜网上进行扫描电镜测试，扫描结果如图1，可以清晰观察到明显的核壳结构。取制备的MOFs衍生核壳结构铈基催化剂进行XRD测试，测试结果如图2所示，峰宽较宽说明样品的颗粒尺寸小，结晶度差，有较高的比表面积。
实施例2MOFs衍生核壳结构铈基催化剂在催化燃烧低浓度溶剂油中的应用
采用管式反应器进行溶剂油催化燃烧反应，
1)准确称取0.5g MOFs衍生核壳结构铈基催化剂，放置于直型玻璃管反应器内，催化剂两端附上石英棉防止催化剂粉末随气流进入管道；
2)将100#溶剂油、MOFs衍生核壳结构铈基催化剂、空气混合进入管式反应器，进口流量控制在2L/min以内，反应开始前采用手持VOCs检测仪检测进气口VOCs浓度，进气口VOCs浓度控制在100ppm以内，等到进气口浓度稳定后开始进行催化燃烧反应，在120-240℃下反应3～24h，达到检测温度点时稳定10分钟后进行出气口气体浓度检测，气体浓度稳定后检测15min以上。
3)利用出气口检测的CO、CO2、VOCs浓度计算催化效率，详细结果见表1。
4)MOFs衍生核壳结构铈基催化剂的耐久性、稳定性测试：在210℃反应温度条件下催化燃烧连续工作10h，检测进气口VOCs浓度为160ppm，检测出气口VOCs浓度，计算催化燃烧效率，用转化率来表示：
公式中，Cin为进气口VOCs浓度，单位ppm；Cout为出气口VOCs浓度，单位ppm。
表1催化燃烧反应结果
图3可以看出MOFs衍生核壳结构铈基催化剂活性的T90％点在190～200℃，表现出高活性。
图4可以看出随着温度的升高，CO2浓度平衡所需要的时间大大缩短，一定范围内温度的升高有利于溶剂油向CO2转化。
MOFs衍生核壳结构铈基催化剂的耐久性、稳定性测试结果如图5所示，从图中可以看出连续工作10h催化燃烧转化率仍然在90％以上，表现出较好的耐久性；图5中平均浓度为出气口气体VOCs每十分钟内的平均浓度，出气口浓度较为稳定，没有出现大幅度增加的情况，说明该催化剂具有良好的催化燃烧稳定性。
Claims (10)
1.一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂，其特征在于，载体是以CeMOFs材料为核、Nb2O5为壳，金属铂在载体上以原子级别分散；所述载体与金属铂的质量比为157.5:1。
2.权利要求1所述的一种MOFs衍生核壳结构铈基催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)用去离子水溶解六水硝酸铈形成溶液A，用去离子水和无水乙醇溶解均苯三酸形成溶液B，溶液A和溶液B混合后在室温下搅拌3h，将得到的白色悬浊液移入离心管内离心，用无水乙醇洗涤2～3次，80℃干燥过夜，研磨得到白色粉末；
2)将步骤1)得到的白色粉末、草酸铌铵、聚乙烯吡咯烷酮、60mL N,N-二甲基甲酰胺和4mL氯铂酸水溶液混合均匀并移入聚四氟乙烯反应釜内衬，将装有混合物的聚四氟乙烯反应釜内衬置于超声洗涤装置中超声30min后，移入水热合成反应釜200℃反应24h；
3)开釜后将得到的灰色悬浊液移入离心管内离心，将沉淀置于80℃的鼓风干燥箱内干燥12h；
4)取出干燥后固体粉末移入瓷舟置于马弗炉中在空气气氛下450℃焙烧3h，得到MOFs衍生核壳结构铈基催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述六水硝酸铈与均苯三酸的质量比为2:1。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述步骤1)得到的白色粉末、草酸铌铵、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:3:1。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述氯铂酸水溶液的配制方法为：取氯铂酸分散在水中充分搅拌得到分散液，浓度为0.01g/mL。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤3)中，所述离心的条件为12000rad/min离心3分钟。
7.权利要求1所述的MOFs衍生核壳结构铈基催化剂在催化燃烧低浓度溶剂油中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，方法如下：采用管式反应器进行溶剂油催化燃烧反应，将溶剂油、MOFs衍生核壳结构铈基催化剂、空气混合进入管式反应器，进口流量控制在2L/min以内，在120-240℃下反应3～24h；在管式反应器的进气口检测VOCs浓度，进气口VOCs浓度控制在100ppm以内，出气口检测CO、CO2和VOCs浓度。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述溶剂油为100#溶剂油。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述反应温度为150℃-240℃，反应时间为3-5小时。
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