一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe‑MnO2催化剂的制备方法。该方法仅以价廉易得的可溶性Fe(II)盐、Mn(II)盐和KMnO4为原料，通过水热反应合成目标催化剂，反应条件温和，工艺简单，且无需加入任何添加剂，无需高温煅烧，无需负载贵金属，从而极大地降低了生产成本。本发明专利技术所制备的Fe掺杂MnO2复合催化剂，在紫外、可见及红外光谱有很强的吸收，具有高效的紫外、可见、红外光及全光谱光致热催化降解VOCs的催化活性和稳定性，并且其光致热催化活性远高于作为基准光催化剂的商用TiO2(P25)，克服了TiO2(P25)仅具有紫外光催化活性的不足。

With a high thermal synergistic catalytic removal of VOCs Fe MnO

The invention relates to a high thermal synergistic catalytic purification of VOCs Fe MnO

【技术实现步骤摘要】
一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法
本专利技术涉及催化剂合成
，具体涉及一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法。
技术介绍
挥发性有机物(VOCs)是大气污染物的主要成分，油漆涂料、石油化工、电器及汽车涂装、制药、电子等诸多行业大量排放的高浓度VOCs，严重危害人类身体健康的同时，对生态环境也造成了严重的威胁。一方面VOCs污染生态环境，在紫外光照射下，VOCs会与大气中的其它气体污染物如SO2、NOx等化学成分发生反应，生成光化学烟雾、二次有机气溶胶等二次污染物，并且破坏臭氧层，增加温室效应。另一方面，VOCs危害人体健康。我们知道，在所有VOCs中，许多都有高毒性和强致癌性，如常见的苯、甲苯和二甲苯等为无色具有特殊芳香气味的气体，经皮肤接触和吸收能够引起中毒，会造成嗜睡、头痛、呕吐等症状；经常接触苯，皮肤可因脱脂而变干燥、脱屑，有的出现过敏性湿疹。VOCs的治理技术包括吸附、光催化、以及催化氧化等，其中以活性炭或分子筛为吸附剂的吸附技术、以负载型贵金属为催化剂的催化氧化技术研究报道最多。吸附法所用到的活性炭有一定的使用期限，需要定期更换，并且它对于CO和小分子的VOCs吸附能力差，吸附后的炭在运输过程中被吸附的污染物很容易逸出，造成二次污染，产生的废液不能循环使用，必须进行处理。以TiO2为代表的半导体光催化法是近年来发展较快的污染治理技术，能通过光催化反应有效地降解较难控制的有机气体，产物(主要是CO2和H2O)无污染。但是TiO2只能被紫外光激发，太阳利用率低，并且TiO2在使用过程当中，表面容易积碳导致失活。热催化氧化法以催化效率高、不存在吸附饱和、无二次污染以及降解彻底等优点受到人们的重视。但目前应用较为广泛的热催化剂主要还是贵金属负载，经济成本过高，很难进行大规模的生产实践。例如Li等人通过Ce(NO3)3和尿素水热反应生成CeO2，并用浸渍法将贵金属Pt负载于CeO2上，所得的复合催化剂具有较好的VOCs低温催化氧化活性(LiY,MaoM,LvH,etal.EnvironmentalScienceNano,2016.)。因此我们需要研究高活性、价廉易得的催化剂来代替贵金属催化剂。二氧化锰以其在自然界中的丰富存在，并且环境友好的特点受到人们的关注。中国专利CN105797716A在酸性条件下将高锰酸钾和硫酸锰，通过回流法生成纯隐钾锰矿(OMS-2)催化剂，对VOCs催化氧化具有比市面商业贵金属催化剂更好的活性。为了提高催化活性，可以通过制备负载型催化剂，把具有较好催化性能的金属或者金属氧化物，负载到载体的表面，制备出具有更好催化性能的催化剂。Hou等人将Ce(NO3)3和KMnO4混合，通过简单的水热反应，制备出Ce负载OMS-2的纳米催化剂，对苯有着很好的催化作用(HouJ,LiY,MaoM,etal.TheeffectofCeionsubstitutedOMS-2nanostructureincatalyticactivityforbenzeneoxidation[J].Nanoscale,2014,6(24):15048-15058.)。本申请通过Fe掺杂二氧化锰，制备出性能更优异的Fe-MnO2催化剂。与中国专利CN105797716A相比，本申请制得的催化剂在苯浓度同样为2000mg/m3，空速sv＝96000h-1的条件下，苯的转化率为90％时，温度更低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有VOCs污染治理技术存在的上述种种问题，提供一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法。该复合催化剂在光热协同作用下，能高效催化净化苯、甲苯和丙酮等挥发性有机污染物，并且原料价廉易得、工艺简单、易于工业化。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法，包括以下步骤：首先将可溶性Mn(II)盐和可溶性Fe(Ⅱ)盐溶于水中，再向溶液中加入酸溶液和KMNO4并搅拌均匀，将混合溶液密封加热进行水热反应，冷却后固液分离，所得沉淀经洗涤、干燥即得具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2复合催化剂。按照上述方案，反应物中可溶性Fe(Ⅱ)盐、可溶性Mn(II)盐以及KMNO4的摩尔比为0.09375-0.375:1:2。按照上述方案，所述可溶性Mn(II)盐为Mn(NO3)2，所述可溶性Fe(Ⅱ)盐为FeSO4或其水合物。按照上述方案，所述酸溶液为66wt％的硝酸溶液，硝酸溶液加入量占溶液总体积的1％。按照上述方案，加入酸溶液进行酸化处理后，混合溶液中Mn2+的浓度为0.1mol/L。按照上述方案，水热反应温度为75℃，水热反应时间为36h。本专利技术利用MnO2优良的光热协同催化氧化性能，以Mn(NO3)2为还原剂，KMnO4为氧化剂，Fe2+为负载离子，采用水热氧化还原合成法，在温和的反应条件下，创新性的设计了Fe-MnO2催化剂的制备方法，实现了在Fe掺杂MnO2复合催化剂中活性组分的光热协同催化作用。同时发现，与传统的热催化氧化相比，在光热共同作用下，本申请所得Fe-MnO2催化剂的催化氧化活性显著提高，其根源在于催化剂中的晶格氧与有机污染物分子的反应活性在光热协同作用下得到了明显提高。本申请所得Fe-MnO2复合催化剂的光热协同催化氧化活性远高于单纯MnO2的光热协同催化氧化活性，所得碱土金属掺杂MnO2复合催化剂能高效催化降解苯等气相挥发性有机污染物。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术制备的Fe-MnO2催化剂，具有高效低温光热协同催化氧化VOCs的催化活性，其光热协同催化活性远高于相同反应温度下的热催化活性，远高于单纯MnO2的光热协同催化活性，极大地提高了挥发性有机气体催化净化效率；2)本专利技术提供的Fe-MnO2催化剂制备方法，原料价廉易得、反应条件温和、工艺简单，易于工业化；3)本专利技术制备的Fe-MnO2催化剂，无需负载贵金属，显著降低了成本。4)本专利技术制备的Fe-MnO2催化剂，在紫外、可见及红外光谱下均有很强的吸收，具有高效的紫外、可见、红外光及全光谱光致热催化降解VOCs的催化活性和稳定性。5)本专利技术制备的Fe-MnO2催化剂全太阳光谱光致热催化活性远高于作为基准光催化剂的商用TiO2(P25)，且TiO2(P25)仅具有紫外光催化活性。附图说明图1为实施例1制得的Fe-MnO2催化剂(Fe/Mn摩尔比1:10)分别在4个、3个太阳光强下光热协同催化降解8μl苯生成CO2的浓度变化对比图；图2为实施例1制备的Fe-MnO2催化剂(Fe/Mn摩尔比1:10)在120℃-260℃下光热协同催化及热催化下降解流动式苯生成CO2的浓度变化对比图；图3为实施例1制备的Fe-MnO2催化剂(Fe/Mn摩尔比1:10)与MnO2在120℃-240℃热催化下降解流动式苯生成CO2的浓度变化对比图；图4为实施例1制备的Fe-MnO2催化剂(Fe/Mn摩尔比1:10)在4个太阳光强下光热协同催化8μl苯，以及MnO2光热协同催化8μl苯生成CO2的浓度变化对比图；图5为实施例2制得的Fe-MnO2催化剂(Fe/M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe‑MnO

【技术特征摘要】
1.一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将可溶性Mn(II)盐和可溶性Fe(Ⅱ)盐溶于水中，再向溶液中加入酸溶液和KMNO4并搅拌均匀，将混合溶液密封加热进行水热反应，冷却后固液分离，所得沉淀经洗涤、干燥即得具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2复合催化剂。2.根据权利要求1所述的一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO2催化剂的制备方法，其特征在于：反应物中可溶性Fe(Ⅱ)盐、可溶性Mn(II)盐以及KMNO4的摩尔比为0.09375-0.375:1:2。3.根据权利要求1所述的一种具有高效光热协同催化净化VOCs的Fe-MnO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李远志，陈俭，毛明杨，方时明，杨懿，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42