常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)采用现有方法将金属盐通过煅烧法或自蔓延法制备出金属氧化物载体或复合金属氧化物载体；(2)将不同贵金属前驱体溶液与金属氧化物或复合金属氧化物经混合、研磨、煅烧，得到贵金属以单原子形态负载到金属氧化物或复合金属氧化物上的单原子催化剂；(3)对所述的单原子催化剂进行高温水热处理，即得到具有较多氧空位和羟基自由基的单原子催化剂。本发明专利技术贵金属负载量极低，因而降低催化剂制造成本；也可以解决过渡金属催化剂活性低、反应温度高的缺点，可以极大地提高苯的氧化活性，有效的降低反应温度，提高安全系数，最终实现在常温下高效地催化氧化苯。

PREPARATION OF MONOATOMIC CATALYSTS FOR CATALYTIC OXIDATION OF AROMATIC VOCs AT NORMAL TEMPERATURE

The invention discloses a preparation method of monoatomic catalysts for catalytic oxidation of aromatic VOCs at room temperature, including the following steps: (1) metal oxide carrier or composite metal oxide carrier is prepared by calcination or self-propagating method of metal salts; (2) different precious metal precursor solutions are mixed with metal oxides or composite metal oxides, grinded and calcined to obtain them. Noble metals are supported on metal oxides or composite metal oxides in monoatomic form; (3) The monoatomic catalysts with more oxygen vacancies and hydroxyl radicals are obtained by high temperature hydrothermal treatment of the monoatomic catalysts. The noble metal load of the invention is very low, thus reducing the cost of catalyst manufacturing; it can also solve the shortcomings of low activity and high reaction temperature of transition metal catalyst, greatly improve the oxidation activity of benzene, effectively reduce the reaction temperature, improve the safety factor, and ultimately realize high efficiency catalytic oxidation of benzene at room temperature.

【技术实现步骤摘要】
常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法
本专利技术涉及一种对苯具有高氧化活性的单原子催化剂及其制备方法，属于催化剂设计与制备

技术介绍
单原子催化是如今催化领域的研究热点之一。单原子催化剂是指催化剂中的活性金属(M)组分以“孤立的原子”的形式-不存在M-M金属键-固定于载体上的催化剂。与传统催化剂相比，单原子催化剂具有显著优势：金属负载量极低(＜1wt％)，极大地提高了活性金属的利用率(最高可达100％)；活性中心组成单一，结构一致，改变催化剂上活性组分对不同分子的脱附/吸附选择性，从而影响反应动力学。自张涛院士团队及其合作者在2011年首次报道了用于CO氧化的Pt1/FeOx单原子催化剂以来，单原子催化剂的研究逐渐成为催化领域的一个热点。国内外学术期刊相继发表了多篇单原子催化主题的文章，对单原子催化剂的制备方法、表征手段和应用领域进行了总结。目前，科研人员已经开发了多种单原子催化剂的制备技术，如共沉淀法、浸渍法、原子层沉积法、高温蒸汽转移法等。各种金属的单原子催化剂也常见报道，如贵金属单原子催化剂(如Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh、Ru等)以及非贵金属单原子催化剂(如Fe、Co、Ni等)。而单原子催化的应用领域也更加广泛，不仅包括传统的催化反应(如CO氧化、WGS反应、选择性加氢和氧化反应)，还涉及到新型催化领域(如燃料电池、光电催化领域)。VOCs(挥发性有机物，VolatileOrganicCompounds)常用的降解方式是催化氧化法，而高稳定性以及高活性催化剂的制备是VOCs氧化过程的关键。VOCs尤其是芳香类VOCs不仅具有强烈的致癌、致畸以及致突变作用，同时容易发生大气光化学反应，导致雾霾以及光化学烟雾的产生，甚至还会加剧温室效应。因此，寻求一种高活性、高稳定性的降解芳香类VOCs的催化剂至关重要。目前，芳香类VOCs降解常用的催化剂分为两类，一类是负载型贵金属催化剂，另一类是过渡金属催化剂。负载型贵金属催化剂主要采用Pt系和Pd系催化剂，虽然可以实现甲苯的高效转化，但是其转化90％的温度往往高于100℃，而且贵金属昂贵的价格也限制了它的大规模应用。过渡金属催化剂主要采用Mn、Cu、Co、Ce等过渡金属的氧化物进行芳香类VOCs的催化氧化。虽然过渡金属也可以使芳香类VOCs的降解率达到90％以上，但是往往需要较高的温度(>200℃)，能耗很大，十分不经济。目前，还没有一种可以在常温(-20～80℃)下，即可高效、节能、稳定氧化芳香类VOCs废气的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的不足，提供一种降低了催化剂制造成本，可以极大地提高苯的氧化活性，有效的降低反应温度，提高安全系数，最终实现在常温下高效地催化氧化苯的常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂及其制备方法。苯的常温高效催化氧化降解的催化剂及其制备方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤一、制备金属氧化物载体；步骤二、制备金属氧化物载体负载的贵金属单原子催化剂，具体步骤为：(a)将金属氧化物载体置于研钵内，然后将浓度为8～12mmol/L的前驱体溶液逐滴滴加到金属氧化物载体中，一边滴加一边研磨10～20min，所述的金属氧化物载体与前驱体溶液中所含贵金属M的质量比为100:0.25～100:1.25；(b)将研钵置于烘箱中，于80～90℃、空气气氛下干燥10～12h，完全干燥后转移到坩埚，放入马弗炉中，在800～900℃以及空气气氛下煅烧10～12h，得到贵金属M以单原子形态负载在金属氧化物载体上的单原子催化剂，单原子催化剂中贵金属负载量为0.25wt％～1.25wt％；(c)使用含水蒸汽体积分数为10％的氩气将单原子催化剂在750～800℃下水热处理8～10h，然后冷却到300～350℃并停止水蒸汽输入，在纯氩气中吹扫1～2h，最后冷却到20～30℃，得到水热处理后的单原子催化剂。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：催化剂采用具有催化氧化活性的过渡金属氧化物作为载体，采用贵金属单原子作为活性组分，利用二者的协同作用共同催化氧化苯降解成CO2和H2O。贵金属负载量极低，因而降低催化剂制造成本；也可以解决过渡金属催化剂活性低、反应温度高的缺点，可以极大地提高苯的氧化活性，有效的降低反应温度，提高安全系数，最终实现在常温下高效地催化氧化苯。附图说明图1是本专利技术的常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法的制备流程图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行详细说明，需要指出的是，本专利技术的保护范围不受具体实施方式的限制。一种常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤一、制备金属氧化物载体，采用现有方法即可，如高温煅烧的方法；步骤二、制备金属氧化物载体负载的贵金属单原子催化剂，具体步骤为：(a)将金属氧化物载体置于研钵内，然后将浓度为8～12mmol/L的前驱体溶液逐滴滴加到金属氧化物载体中，一边滴加一边研磨10～20min，所述的金属氧化物载体与前驱体溶液中所含贵金属M的质量比为100:0.25～100:1.25，贵金属M可以为Pt，Au，Pd等贵金属；(b)将研钵置于烘箱中，于80～90℃、空气气氛下干燥10～12h，完全干燥后转移到坩埚，放入马弗炉中，在800～900℃以及空气气氛下煅烧10～12h，得到贵金属M以单原子形态负载在金属氧化物载体上的单原子催化剂，单原子催化剂中贵金属负载量为0.25wt％～1.25wt％(贵金属M与金属氧化物载体的百分比)；(c)使用含水蒸汽体积分数为10％的氩气将单原子催化剂在750～800℃下水热处理8～10h，然后冷却到300～350℃并停止水蒸汽输入，在纯氩气中吹扫1～2h，最后冷却到20～30℃，得到水热处理后的单原子催化剂。所述的金属氧化物载体可以选用CeO2、MnOx、TiO2、FeOx以及CeO2掺杂的MnOx载体，优选的步骤一中金属氧化物载体使用CeO2、MnOx以及CeO2掺杂的MnOx载体。进一步，优选的CeO2载体的制备方法如下：将六水合硝酸铈Ce(NO3)3·6H2O在马弗炉中于350～400℃以及空气气氛下煅烧2～4h得到CeO2载体；优选的MnOx载体制备方法如下：将高锰酸钾在马弗炉中于400～500℃以及空气气氛下煅烧2～4h得到MnOx载体；优选的CeO2掺杂的MnOx载体制备方法如下：将高锰酸钾与六水合硝酸铈置于研钵中混合，研磨均匀，所述的高锰酸钾中所含锰与六水合硝酸铈中所含铈的摩尔比为3～12；然后将混合均匀地混合物置于玻璃板上点燃、过滤，洗涤后置于烘箱中，在100～110℃下干燥10～12h，得到CeO2掺杂的MnOx复合氧化物载体，记作CeO2-MnOx；进一步，步骤二中所述的Pt、Au和Pd贵金属前驱体溶液优选氯铂酸(H2PtCl6)溶液、氯金酸(HAuCl4)溶液或者氯钯酸(H2PdCl4)溶液。实施例1(1)称取10g六水合硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)在马弗炉中于350℃以及空气气氛下煅烧2h得到CeO2载体；称取3gCeO2载体置于研钵内，取4.81mL的8mmol/L的氯铂酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、制备金属氧化物载体；步骤二、制备金属氧化物载体负载的贵金属单原子催化剂，具体步骤为：(a)将金属氧化物载体置于研钵内，然后将浓度为8～12mmol/L的前驱体溶液逐滴滴加到金属氧化物载体中，一边滴加一边研磨10～20min，所述的金属氧化物载体与前驱体溶液中所含贵金属M的质量比为100:0.25～100:1.25；(b)将研钵置于烘箱中，于80～90℃、空气气氛下干燥10～12h，完全干燥后转移到坩埚，放入马弗炉中，在800～900℃以及空气气氛下煅烧10～12h，得到贵金属M以单原子形态负载在金属氧化物载体上的单原子催化剂，单原子催化剂中贵金属负载量为0.25wt％～1.25wt％；(c)使用含水蒸汽体积分数为10％的氩气将单原子催化剂在750～800℃下水热处理8～10h，然后冷却到300～350℃并停止水蒸汽输入，在纯氩气中吹扫1～2h，最后冷却到20～30℃，得到水热处理后的单原子催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、制备金属氧化物载体；步骤二、制备金属氧化物载体负载的贵金属单原子催化剂，具体步骤为：(a)将金属氧化物载体置于研钵内，然后将浓度为8～12mmol/L的前驱体溶液逐滴滴加到金属氧化物载体中，一边滴加一边研磨10～20min，所述的金属氧化物载体与前驱体溶液中所含贵金属M的质量比为100:0.25～100:1.25；(b)将研钵置于烘箱中，于80～90℃、空气气氛下干燥10～12h，完全干燥后转移到坩埚，放入马弗炉中，在800～900℃以及空气气氛下煅烧10～12h，得到贵金属M以单原子形态负载在金属氧化物载体上的单原子催化剂，单原子催化剂中贵金属负载量为0.25wt％～1.25wt％；(c)使用含水蒸汽体积分数为10％的氩气将单原子催化剂在750～800℃下水热处理8～10h，然后冷却到300～350℃并停止水蒸汽输入，在纯氩气中吹扫1～2h，最后冷却到20～30℃，得到水热处理后的单原子催化剂。2.根据权利要求1所述的常温催化氧化芳香类VOCs的单原子催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤一中金属氧化物载体使用CeO2、MnOx...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁辉，刘蕊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12