一种固体催化剂及制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种固体催化剂及制备方法和用途，其中包括过渡金属纳米氧化物在多孔陶瓷基体上的涂载方法。本发明专利技术的主要目的提供一种新型的固体催化剂及制备方法，并用以解决在不同工业环境中出现的臭氧逃逸问题，采用该固体催化剂，高效催化分解臭氧的方法消除臭氧，包括对不同涂覆物质的固体催化剂的尝试。该固体催化剂能够在持续恶劣的工业环境下(如在高温，高流速，高压，高湿度)，保持不脱落，依然保持高效催化分解臭氧的效果。

Solid catalyst, preparation method and Application

The present invention relates to a solid catalyst and its preparation method and application, including the coating method of transition metal nano oxide on porous ceramic substrate. The main purpose of the present invention provides a novel solid catalyst and preparation method, and is used to solve the problem of ozone in different industrial environments using the escape problem, solid catalyst, method of catalytic decomposition of ozone, ozone elimination, try to include the solid catalyst for different coating material. The solid catalyst can maintain high efficiency in the harsh industrial environment (such as high temperature, high flow rate, high pressure, high humidity), and still maintain high efficiency catalytic ozone decomposition effect.

【技术实现步骤摘要】
一种固体催化剂及制备方法和用途(一)
：本专利技术涉及一种固体催化剂，特别是一种包含一种或几种由过渡金属纳米氧化物涂载在多孔陶瓷复合材料上制成的固体催化剂及制备方法和在分解臭氧方面的用途。(二)
技术介绍
：在工业催化剂中，过渡金属氧化物催化剂占有重要的地位，可以作为很多反应的催化剂，尤其广泛用于氧化还原型机理的催化反应。臭氧逃逸是工业生产和工业污染治理中，使用臭氧作为原料时，时常会出现的问题，由于臭氧对环境和人体有害，所以处理臭氧逃逸具有十分重要的意义。臭氧是一种具有特殊气味的淡蓝色气体，具有强氧化性，抗菌和抗病毒特性，在自然界、工业生产和日常生活中，有着广泛的应用。臭氧同时也是一种常见于各种人类生活环境(如飞机客舱，复印机办公室，激光打印机，消毒器)中的有毒物质，它是光化学烟雾的罪魁祸首之一，会破坏动物的黏液和呼吸组织，还有植物组织。暴露在臭氧中会导致气喘，支气管炎，心脏病发作和其他心肺问题。类比于传统工业脱硝技术中出现的氨逃逸问题，臭氧逃逸同样出现在各种处理烟气和其他应用臭氧的场合。但市面上针对处理臭氧逃逸的装置并不常见，利用催化分解的方法处理臭氧是处理臭氧逃逸问题的重要方法。贵金属和过渡金属的氧化物已被发现是臭氧分解最有效的物质。然而昂贵的贵金属激发了研究人员把臭氧分解的重点放在便宜又实用的过渡金属氧化物上。从环境的角度，过渡金属氧化物是一种新兴高效且廉价的用于解决臭氧逃逸的实用方法。同时也有不少专利对此做了阐述，如专利CN101757933A提供了一种臭氧分解催化剂，包括作为催化剂载体和催化剂助活性组分的金属泡沫镍和作为主活性组分通过浸渍方式覆在所述泡沫镍表面的锰或铁氧化物。该专利技术还提供了一种臭氧分解催化剂的制备方法，步骤包括配制硝酸锰或硝酸锰溶液，将作为载体的泡沫镍浸渍在所述溶液中，最后将浸渍后的载体烘干，并在一定温度下烘烤。专利CN102600861A提到一种用于催化分解臭氧的锰基复合氧化物催化剂及其制备方法。所述催化剂包括锰基氧化物和至少一种过渡金属氧化物，都是由可溶性锰盐和可溶性过渡金属盐采用均匀沉淀法或水热合成法制备。专利CN105312061A讲述了一种常温除臭氧催化材料，以多孔活性炭和分子筛为主的复合材料为载体，负载一种或几种非贵金属氧化物作为活性组分，同时载有一种或几种还原性保护剂，采用分布浸渍工艺制备而成。以上专利涉及到的催化剂都是采用一些可溶性盐或过渡金属盐。按照其配方比例来制备。并未对涂覆方法做详细说明。而本专利技术则是将过渡金属的纳米氧化物通过我们的涂载技术涂覆在多孔陶瓷复合材料上，采用的方法十分简单，成本低廉。本专利技术对涂覆方法做了详细的说明，并附图对比说明涂覆效果。由于纳米材料的特殊性能，所以我们专利技术的过渡金属纳米氧化物固体催化剂具有提高反应面积和反应速度，催化活性高，可重复使用等特点。此外本专利技术涉及到的涂载技术，目的是使得过渡金属纳米氧化物固体催化剂能够在持续恶劣的工业环境下(如在高温，高流速，高压，高湿度)，依然保持高效催化分解臭氧的效果。纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级(1nm-100nm)的超细粒子材料，由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。纳米催化剂具有优异的催化活性和选择性，其比表面积大，表面能高，晶体内扩散通道短，表面催化活性位多，吸附性能强，这些独特效应使纳米催化剂可以控制反应速率，提高反应效率。在开发新型的纳米材料的过程中，过渡金属元素起了重要作用。过渡金属氧化物生成的新型功能纳米材料，展现出丰富多彩的应用特性，已广泛应用于各工业领域，同时潜在的需求也在扩展。目前要得到优良的纳米催化剂需要三大技术：载体，配方和涂载。其中涂载是一大难点。现涂载的方法有喷涂法，浸渍法等。有利用各类喷涂法如常温喷涂,火焰喷涂和等离子喷涂等方法能将纳米材料较均匀涂载在基体上，但此类方法都比较复杂且需要对应设备，但这类方法得到的纳米催化剂在一些高湿度，高流速的恶劣环境下会脱落导致活性降低；浸渍法较为简单方便，但要将纳米粉末均匀且牢固地涂载到基体上是非常困难的。而本专利技术通过采用简单的浸渍法，能将过渡金属纳米氧化物粉末均匀牢固地涂载在多孔陶瓷复合材料上。并且能够在持续恶劣的工业环境下(如在高温，高流速，高压，高湿度)，保持不脱落，依然保持高效催化分解臭氧的效果。(三)
技术实现思路
：本专利技术涉及一种固体催化剂及制备方法和用途，其中包括过渡金属纳米氧化物在多孔陶瓷基体上的涂载方法。本专利技术的主要目的提供一种新型的固体催化剂及制备方法，并用以解决在不同工业环境中出现的臭氧逃逸问题，采用该固体催化剂，高效催化分解臭氧的方法消除臭氧，包括对不同涂覆物质的固体催化剂的尝试。1.催化剂制备及工作原理：固体催化剂上的过渡金属纳米氧化物进行催化反应，由于纳米材料具有的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，以及多孔陶瓷复合材料具有的疏松多孔的结构，提高过渡金属纳米氧化物对臭氧的催化分解作用。臭氧在催化剂表面上分解反应过程及机理：G.L.Golodets较早提出一个过程是：O3首先被吸附在催化剂的活性位上，然后分解成一个自由氧分子和一个表面氧原子,表面氧原子再与另一个O3反应生成两个氧分子:O3+*→O*+O2O3+O*→2O2+m(m代表表面物质，*代表活性位)Radhakrishnan.R等认为臭氧在锰氧化物上的分解过程为：03+Mnn+→02-+Mn(n+2)+0203+02-+Mn(n+2)→022-+Mn(n+2)++02022-+Mn(n+2)+→Mnn++02关于高湿度条件下催化剂分解臭氧的机理：在高湿度条件下，催化剂表面形成了液膜，阻碍了臭氧与表面活性中心的接触，因而活性迅速下降。高湿度条件下臭氧在催化剂表面的分解过程与低湿度条件下的不同是由于高湿度条件下催化剂表面上存在大量的羟基，并且羟基与臭氧相互作用。高湿度下臭氧分解机理分为两个部分：第一部分为臭氧与催化剂表面接触，吸附在催化剂的活性位上，产生一个活性中间体O*，活性中间体O*再与臭氧分子碰撞生成O2分子。第二部分随着温度增加，在催化剂表面上可能出现一层很薄的液膜，活性中间体O*与这层膜生成活性*OH中间体推动反应的进行。总之，关于臭氧催化分解的机理在整个学术界仍处于探讨阶段。2.过渡金属纳米氧化物涂覆方法：该涂载方法大致为：1.载体前处理：将载体清洗干净并干燥加热；2.纳米材料预处理及纳米溶液制备：将备好的纳米粉末过筛加水超声制备成一定浓度的纳米溶液；3.将处理好的载体采用浸涂方式涂载纳米；烘干得到固体催化剂。通过扫描电子显微镜可知，纳米颗粒能够均匀且不团聚的涂覆在载体上。3、本专利技术的技术方案方案1、一种固体催化剂，其特征在于：在多孔陶瓷基体上涂载有过渡金属纳米氧化物，其涂载的纳米颗粒分布均匀，直径平均低于50nm，且不团聚，均匀涂覆在多孔陶瓷基体的表面以及内部。方案2、一种如方案1所述的固体催化剂，其特征在于：多孔陶瓷基体为呼吸环碎片或陶瓷球，且比表面积大于等于1平方米/克。。方案3、一种如方案1所述的固体催化剂，其特征在于：可稳定的在气体或液体流速为0至6米每秒环境下使用。方案4、一种如方案1所述的固体催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体催化剂，其特征在于：在多孔陶瓷基体上涂载有过渡金属纳米氧化物，其涂载的纳米颗粒分布均匀，直径平均低于50nm，且不团聚，均匀涂覆在多孔陶瓷基体的表面以及内部。

【技术特征摘要】
1.一种固体催化剂，其特征在于：在多孔陶瓷基体上涂载有过渡金属纳米氧化物，其涂载的纳米颗粒分布均匀，直径平均低于50nm，且不团聚，均匀涂覆在多孔陶瓷基体的表面以及内部。2.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：多孔陶瓷基体为呼吸环碎片或陶瓷球，且比表面积大于等于1平方米/克。3.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：可稳定的在气体或液体流速为0至6米每秒环境下使用。4.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：可稳定的在气体或液体温度为0至100摄氏度环境下使用。5.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：可稳定的在管道压力为0至2atm.环境下使用。6.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：可稳定的在气体湿度为0％-75％RH环境下使用。7.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：可在权利要求3～6中任意二种至四种同时存在的工业环境下使用8-15个月。8.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：过渡金属纳米氧化物涂层需求量由1克纳米氧化物每千克多孔陶瓷基体到24克纳米氧化物每千克多孔陶瓷基体。9.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：多孔陶瓷基体上同时涂载有粘合剂。10.一种如权利要求9所述的固体催化剂，其特征在于：所述粘合剂是甲基纤维素或有机硅树脂或氯丁胶。11.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：所述过渡金属纳米氧化物为四氧化三钴或三氧化二铁或四氧化三铁或三氧化二锰或氧化铜或氧化亚铜或以上过渡金属纳米氧化物的混合物。12.一种如权利要求1所述的固体催化剂，其特征在于：其中纳米氧化亚铜的合成方法如下:方法一：(1)在氮气保护下，把10-15毫升三辛胺放入三口圆底烧瓶中，在100℃-130℃下烘烤30-50分钟；(2)待自然冷却到室内温度后，加入1-3毫摩醋酸铜与0.5-1.5毫摩十四烷基膦酸,不断的搅拌；(3)在氮气保护下，迅速加热到180℃-200℃并持续30-50分钟；(4)迅速加热270℃-300℃并持续30-50分钟；(5)通过浸泡并冷却到室内温度，可以去除紫红色胶体；(6)添加乙醇,使纳米颗粒沉淀；(7)离心机分离5000-10000转，持续15-30分钟；(8)用乙烷或氯仿溶液，将其均匀分散。方法二：(1)将20-30克五水硫酸铜与0.3-0.5克聚乙烯吡咯烷酮完全溶解在100-150毫升蒸馏水中，并加热至60-80℃。(2)将100-150毫升的2摩尔每升氢氧化钠缓慢加入以上硫酸铜溶液中，不断搅拌，保持温度60-80℃。(3)滴加完后，在搅拌30-50分钟，然后在反应液中逐滴加入稀释后的水合肼溶液。(4)滴加完后，再搅拌3-6小时，然后用蒸馏水过滤洗涤2-3次，乙醇洗涤1-2次。(5)用真空烤箱在60-80℃下干燥，得到产品。13.一种如权利要求1所述的固体催化剂的制备方法，其特征在于：分为以下步骤a方案、不使用粘合剂时(a1)将所述多孔陶瓷基体清洗，去除污垢和粉体；(a2)将所述多孔陶瓷基体烘干，保持300～600℃加热10～30分钟，使得基体完全干燥、充分加热，温度均匀；(a3)将热的多孔陶瓷基体在过渡金属纳米氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅国琳，维杰，彭美芳，
申请(专利权)人：傅国琳，
类型：发明
国别省市：天津,12