一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种小晶粒均匀型钴‑钇复合金属氧化物的制备方法，是一种创新的共沉淀方法，具体为：调节尿素与硝酸钴的摩尔比为2~8，硝酸钇与硝酸钴的摩尔比为0.03，将硝酸钴、硝酸钇和尿素混合溶于水，置于反应瓶。用油浴加热，使反应瓶内的溶液呈剧烈沸腾状态，水蒸气经冷凝流回反应瓶。常压反应一定时间，得到钴‑钇复合金属氢氧化物。然后，在空气中焙烧，钴‑钇复合金属氢氧化物分解为小晶粒的钴‑钇复合金属氧化物。按照本发明专利技术方法制备的钴‑钇复合金属氧化物的突出特点是：晶粒尺寸小于10纳米，用于催化分解一氧化二氮废气的催化活性很高。

Preparation and Application of a Small Grain Uniform Cobalt-Yttrium Composite Metal Oxide

The invention provides a preparation method of small grain uniform cobalt-yttrium composite metal oxide, which is an innovative coprecipitation method. The method is as follows: adjusting the molar ratio of urea to cobalt nitrate from 2 to 8, and the molar ratio of yttrium nitrate to cobalt nitrate from 0.03, dissolving cobalt nitrate, yttrium nitrate and urea in water and putting them in a reaction bottle. When heated in oil bath, the solution in the reaction bottle boils violently, and water vapor flows back to the reaction bottle through condensation. Cobalt-yttrium complex metal hydroxides were synthesized by atmospheric pressure reaction for a certain time. Then, cobalt-yttrium complex metal hydroxides are decomposed into small-grained cobalt-yttrium complex metal oxides by roasting in air. The prominent characteristics of the cobalt-yttrium composite metal oxide prepared according to the method of the invention are that the grain size is less than 10 nanometers, and the catalytic activity for catalytic decomposition of nitrogen monoxide waste gas is very high.

【技术实现步骤摘要】
一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法及应用
本专利技术属于催化剂制备与应用
，具体是一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法及催化应用。
技术介绍
随着工业经济的快速发展，人为排放了大量温室气体，导致地面温度逐年上升，这一问题已引起了世界各国的广泛关注。1997年通过的《京都议定书》明确提出了要限制六种(类)温室气体的排放，包括一氧化二氮(N2O)。N2O废气的人为排放源主要是己二酸、硝酸合成等工业过程，这些废气如不经处理直接排入大气，将对生态环境造成严重破坏。对于一氧化二氮废气的处理，是将一氧化二氮分解为对环境无害的氮气和氧气。现行的处理方法主要有：热分解法、催化分解法。其中，热分解法要求反应温度1000℃以上，能耗很高。而催化分解法是在催化剂的作用下，显著降低了N2O的分解温度，大幅度降低了能耗，经济可行。现行的一氧化二氮废气分解催化剂主要有：负载型贵金属催化剂、离子交换分子筛等，这些催化剂的价格较高。现行的一氧化二氮废气分解催化剂还有过渡金属氧化物，尤其是氧化钴(四氧化三钴)催化剂。近十几年来，活性较高的钴基复合金属氧化物催化剂已有不少报道，例如：Suo等人[ApplCatalB:Environ,2003,45(2),85-90]，徐秀峰等人[JFuelChemTech,2018,46(5),569-577]研究了Co-Mg复合金属氧化物催化剂催化分解N2O。Ivanova等人[KineticsandCatalysis,2018,59(3),365-370]研究了Co-Ni复合金属氧化物催化剂催化分解N2O。徐秀峰等人[JFuelChemTech,2014,42(2):238-245]，Franken等人[ApplCatalB:Environ,2015,176-177,298-305]研究了Co-Cu复合金属氧化物催化剂催化分解N2O。赵永祥等人[CatalCommun,2018,111,70–74]研究了Co-Sn复合金属氧化物催化剂催化分解N2O。王新平等人[CatalCommun,2015,65,1-5；ApplCatalB:Environ,2016,185,110-118；ChemEngJ,2018,334,800–806]研究了Co-Bi,Co-Pb,Co-Ag复合金属氧化物催化剂催化分解N2O。在氧化钴中加入稀土元素制备活性较高的钴基复合金属氧化物，也有一些报道，例如：Kim等人[MolCatal,2017,422,202-207]，贺泓等人[EnvironSciTechnol,2009,43(3),890-895]，Dziembaj等人[CatalToday,2012,191(1),121-124]，You等人[ChemEngJ,2018,347,184-192]研究了Co-Ce复合金属氧化物催化剂催化分解N2O。最近，公开号为CN108355666A的中国专利技术专利申请提供了“一种复合金属氧化物催化剂及其制备方法和应用”，其复合金属氧化物催化剂以氧化钴为活性组分、氧化钇为助剂，制备方法为：将钴盐与沉淀剂混合均匀，并充分研磨；将钇的氧化物溶解在酸中形成溶液，并用该溶液浸渍上述混合物，然后经干燥、焙烧步骤制得催化剂。根据这种制备方法制备的钴-钇复合金属氧化物，其中有包覆型的，也有均匀型的，并且晶粒尺寸较大。综上，已公开的钴基复合金属氧化物制备方法，有浸渍法、溶胶凝胶法，制备过程简便，其中浸渍法制备的催化剂为包覆型，溶胶凝胶法制备的催化剂为均匀型，但催化剂晶粒都较大。已公开的钴基复合金属氧化物制备方法，还有公知的共沉淀法，一般过程是：将多种金属盐与沉淀剂混合溶于水，常压反应，沉淀产物经焙烧制得复合金属氧化物。这种方法用尿素作沉淀剂居多，由于尿素水解生成氨气和氨水离解产生OH-的速率都与反应温度有关，公知的反应温度一般为90℃，该温度下尿素水解较慢，产生的OH-较少，两种金属离子不能同时沉淀，导致复合金属氧化物不均匀，且晶粒较大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种晶粒尺寸小于10纳米的均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法。根据这种方法制备的催化剂用于催化分解一氧化二氮废气具有更好的催化活性。本专利技术的技术方案如下：一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法，其特征在于制备步骤是：将硝酸钴、硝酸钇和尿素在反应容器中混合溶于水，常压下加热反应容器内的溶液，反应得到钴-钇复合金属氢氧化物；然后，在空气中焙烧钴-钇复合金属氢氧化物得到钴-钇复合金属氧化物。硝酸钇与硝酸钴的摩尔比为0.03，尿素与硝酸钴的摩尔比为2～8。优选地，用油浴加热反应容器内的溶液呈剧烈沸腾状态，水蒸气经冷凝流回反应容器。尿素与硝酸钴的摩尔比优选为4～6。制备钴-钇复合金属氢氧化物的反应时间优选为2～6小时，进一步优选为4小时。焙烧温度优选为390～410℃，进一步优选为400℃。油浴加热的温度优选为115～125℃，进一步优选为120℃。所述方法制备的一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物用于催化分解一氧化二氮废气。本专利技术的创新之处在于：使用一种创新的共沉淀方法制备小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物，具体是：将硝酸钴、硝酸钇与尿素混合溶于水，在回流的沸水中常压反应，制得钴-钇复合金属氢氧化物。特点是：常压下100℃剧烈反应，尿素水解生成氨气的速率较快，氨水离解产生的OH-较多，钴-钇复合金属氢氧化物的成核速率与生长速率相近且较快。致使钴-钇复合金属氧化物的晶粒小。使用公知的共沉淀方法也可制备钴-钇复合金属氧化物，过程是：将硝酸钴、硝酸钇与尿素混合溶于水，90℃常压反应制得钴-钇复合金属氢氧化物。特点是：尿素水解生成氨气的速率慢，氨水离解产生的OH-少，钴-钇复合金属氢氧化物的成核速率慢，相对而言其生长速率快于成核速率。致使钴-钇复合金属氧化物的晶粒大。所以说，钴-钇复合金属氧化物的制备方法是本专利技术的一个关键技术。本专利技术用创新的共沉淀方法制备小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物，尿素与硝酸钴的摩尔比是本专利技术的另一个关键技术。尿素用量较少时，产生的OH-少，pH值低，不能同时达到钴、钇离子沉淀的溶度积(Ksp)，使得生成的复合金属氧化物不均匀；尿素用量较大时，产生的OH-多，复合金属氢氧化物的晶核生长快，晶粒大。使用优选的尿素用量，尿素水解速率较快，产生的OH-较多，且复合金属氢氧化物的成核与生长速率相近，晶粒小。本专利技术用创新的共沉淀方法制备小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物，反应时间是本专利技术的又一个关键技术。反应时间较短时，尿素水解不完全，金属离子沉淀不完全，复合金属氢氧化物的产量低，浪费原料。反应时间太长时，氢氧化物晶核经长时间的生长，晶粒变大。使用优选的反应时间，尿素水解完全，复合金属氢氧化物的产量高，且限制了其晶核的继续生长，晶粒小。另外，本专利技术制备钴-钇复合金属氧化物的原料(金属硝酸盐、尿素)、加热介质(大豆油)，均对人体和环境无危害；催化剂的制备工艺简单，制备工艺参数易控制。用本专利技术方法制备的钴-钇复合金属氧化物的晶粒尺寸显著小于用公知的共沉淀方法制备的钴-钇复合金属氧化物，催化分解一氧化二氮废气的催化活性高于用公知方法制备的催化剂。附图说明图1是用本专利技术创新的共沉淀方法制备的钴-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小晶粒均匀型钴‑钇复合金属氧化物的制备方法，其特征在于制备步骤是：将硝酸钴、硝酸钇和尿素在反应容器中混合溶于水，常压下加热反应容器内的溶液，反应得到钴‑钇复合金属氢氧化物；然后，在空气中焙烧钴‑钇复合金属氢氧化物得到钴‑钇复合金属氧化物；硝酸钇与硝酸钴的摩尔比为0.03，尿素与硝酸钴的摩尔比为2~8。

【技术特征摘要】
1.一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法，其特征在于制备步骤是：将硝酸钴、硝酸钇和尿素在反应容器中混合溶于水，常压下加热反应容器内的溶液，反应得到钴-钇复合金属氢氧化物；然后，在空气中焙烧钴-钇复合金属氢氧化物得到钴-钇复合金属氧化物；硝酸钇与硝酸钴的摩尔比为0.03，尿素与硝酸钴的摩尔比为2~8。2.如权利要求1所述的一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法，其特征在于：用油浴加热反应容器内的溶液呈剧烈沸腾状态，水蒸气经冷凝流回反应容器。3.如权利要求1-2所述的一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法，其特征在于：尿素与硝酸钴的摩尔比为4~6。4.如权利要求1-2所述的一种小晶粒均匀型钴-钇复合金属氧化物的制备方法，其特征在于：制备钴-钇复合金属氢氧化物的反...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐秀峰，赵天琪，高强，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：山东,37