三维有序莫来石催化剂及其制备方法、净化方法技术

本发明专利技术属于碳颗粒净化相关技术领域，其公开了三维有序莫来石催化剂，其适用于柴油机车排放的碳颗粒的催化氧化；所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构；所述三维有序莫来石催化剂包括有活性组分，所述活性组分包括稀土金属及过渡金属。本发明专利技术还涉及三维有序莫来石催化剂的制备方法及净化方法。本发明专利技术主要采用稀土金属和过渡族金属元素，成本较低；大孔结构可以促进碳颗粒进入到孔道内部并进行顺畅的扩散，使得碳颗粒充分与催化剂的表面进行接触，从而提高催化性能。

Three dimensional ordered mullite catalyst, preparation method and purification method

The invention belongs to the technical field related to carbon particle purification, which discloses a three-dimensional ordered mullite catalyst, the catalytic oxidation of carbon particles for emissions of diesel locomotive; the 3D ordered mullite mullite composite catalyst for metal oxide with macroporous structure, the macroporous structure for inverse opal structure uniform and orderly; the three-dimensional ordered mullite catalyst comprises active components, the active components including rare earth metals and transition metals. The invention also relates to a preparation method and a purification method of a three-dimensional ordered mullite catalyst. The invention mainly adopts rare earth metals and transition metal elements, and has low cost. The macroporous structure can promote the carbon particles to enter the inner channel and smooth diffusion, so that the carbon particles are fully contacted with the surface of the catalyst, thereby improving the catalytic performance.

【技术实现步骤摘要】
三维有序莫来石催化剂及其制备方法、净化方法
本专利技术属于碳颗粒净化相关
，更具体地，涉及一种三维有序莫来石催化剂及其制备方法，净化方法。
技术介绍
柴油机具有热效率高、经济性好等显著特点，因此，目前大功率机动车柴油化程度不断提高，但柴油机车的碳颗粒物(PM)排放量为汽车的30～80倍，其中70％的碳颗粒物的粒径小于300nm，且吸附有多重有机化合物，被人体吸入后能升入肺泡，且极难排出体外，对人体的危害非常大。因此，如何有效减少碳颗粒在空气中的排放量是柴油机车尾气排放处理的首要任务。利用微颗粒捕集器是减少柴油机车排放碳颗粒最主要的尾气后处理方法，其原理是使碳颗粒在过滤器中被吸附在过滤介质的表面而起到净化作用。然而，若被吸收在过滤器中的碳颗粒未被及时的去除，将导致过滤器堵塞，增大柴油机车的背压，进而影响柴油机的性能。因此，如何将过滤器上吸附的碳颗粒及时有效的去除，是解决问题的重点。通常采用的方法是在过滤器上负载能使碳颗粒在较低的排气温度下燃烧的催化剂，从而有效地降低柴油机车尾气中碳颗粒的排放量，发动机不至于因为碳颗粒堵塞造成的背压而导致熄火。柴油发动机在工作状态时，碳颗粒的热氧化温度高达550℃～600℃，而柴油机车的排气温度在160℃～400℃。因此，提高柴油机车过滤器上负载催化剂的碳颗粒催化氧化活性，降低碳颗粒的燃烧温度，从而使得碳颗粒过滤器能够连续正常使用，是减少柴油机尾气中碳颗粒排放的最直接有效的方法。由于柴油机车尾气中的碳颗粒消除反应是一个气(尾气)-固(催化剂)-固(碳颗粒)三效催化反应，因此催化剂的活性不仅与氧化催化剂本身的氧化还原性能密切相关，同时还与催化剂与碳颗粒的接触程度相关。有一般碳颗粒的直径较大(通常大于25纳米)，而一般的催化剂的孔径通常小于10纳米，碳颗粒难以进入催化剂的孔道内部，只能和其表面接触，导致催化剂的有效活性表面积减小。此外，现阶段普遍使用Pt负载V2O5/Al2O3贵金属催化剂，这些贵金属催化剂对碳颗粒具有较好的催化活性，但是造价非常昂贵，限制了其工业生产的应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种三维有序莫来石催化剂及其制备方法、净化方法，其基于现有碳颗粒的催化剂的工作特点，研究及设计了一种催化性能较好的三维有序莫来石催化剂。所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构，大孔结构可以促进碳颗粒进入到孔道内部并进行顺畅的扩散，使得碳颗粒充分与催化剂的表面进行充分接触，从而提高催化性能。此外，所述活性组分包括稀土金属及过渡金属，降低了成本，有利于工业生产的应用。为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种三维有序莫来石催化剂，其适用于柴油机车排放的碳颗粒的催化氧化；其特征在于：所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构；所述三维有序莫来石催化剂包括有活性组分，所述活性组分包括稀土金属及过渡金属。进一步地，所述大孔结构的大孔孔径在100纳米以上。进一步地，所述三维有序莫来石催化剂的化学式为AB2O5，其中，A为稀土金属；B为过渡金属。进一步地，A为La、Ce、Nd、Gd及Sm中的任一种，B为Fe、Co及Mn中的任一种。按照本专利技术的另一方面，提供了一种三维有序莫来石催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将含有活性组分的硝酸盐根据所述三维有序莫来石催化剂的化学式、按照预定计量比混溶于络合剂及浸润剂中，以得到所述三维有序莫来石催化剂的前驱体溶液；(2)将所述前驱体溶液浸润到胶体晶体模板上并进行抽滤干燥，之后分别在惰性气体及含氧气体中进行焙烧以去除所述胶体晶体模板来得到所述三维有序莫来石催化剂。进一步地，所述络合剂为乙二醇或柠檬酸，所述浸润剂为甲醇或水。进一步地，所述前驱体溶液中的金属离子总浓度为0.5mol/L～2mol/L。进一步地，浸润有所述前驱体溶液的胶体晶体模板的焙烧包括以下步骤：首先，将浸润有前驱体溶液的胶体晶体模板在惰性气氛中升温至300℃～550℃，并恒温保持3h-5h后降低至室温后；再在空气气氛中升温至650℃～800℃，并恒温保持3h～8h。进一步地，所述胶体晶体模板的制备包括以下步骤：(a)在氩气保护以及冷凝水循环冷却下，将丙酮和去离子水混合，并以水浴预热至70℃～80℃后，加入单体甲基丙烯酸甲酯，继续以水浴加热至70℃～80℃；再在氩气保护以及冷凝水循环冷却下，加入预热到70℃～80℃的引发剂水溶液，并以转速1000rad/min持续搅拌1h～3h，得到单分散的聚甲基丙烯酸甲酯；(b)将得到的所述聚甲基丙烯酸甲酯以2000rad/min～5000rad/min的转速离心处理6h～10h后，在温度为30℃～80℃的烘箱中干燥得到胶体晶体模板。本专利技术还提供了一种净化方法，其为柴油机车排放碳颗粒的净化方法，其特征在于：该方法采用如上所述的三维有序莫来石催化剂对碳颗粒进行净化。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的三维有序莫来石催化剂及其制备方法、净化方法主要具有以下有益效果：1.所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构，大孔结构可以促进碳颗粒进入到孔道内部并进行顺畅的扩散，使得碳颗粒充分与催化剂的表面进行充分接触，从而提高催化性能；2.所述活性组分包括稀土金属及过渡金属，降低了成本，有利于工业生产的应用；3.所述三维有序莫来石催化剂用于柴油机车排放的碳颗粒的净化，使得柴油机车的燃烧峰值温度降低至400℃以下，达到柴油机车排气的温度范围；4.所述三维有序莫来石催化剂的制备工艺简单，易于实施，实用性较强，有利于推广应用。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的三维有序莫来石催化剂的制备方法制得的聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体模板的SEM图；图2是采用图1中的三维有序莫来石催化剂的制备方法制备的锰基莫来石氧化物的SEM图；图3是图2中的锰基莫来石氧化物的XRD图；图4是图2中的锰基莫来石氧化物的催化氧化碳颗粒的性能示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1至图4，本专利技术较佳实施方式提供的三维有序莫来石催化剂，所述三维有序莫来石催化剂对柴油机车排放的碳颗粒的催化燃烧具有非常好的效果，使得碳颗粒的燃烧温度大幅度降低，且所述三维有序莫来石催化剂不含有贵金属，提高催化活性的同时降低了催化剂成本。所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构。所述三维有序莫来石催化剂包括有活性组分，所述活性组分为稀土金属及过渡金属。本实施方式中，所述大孔结构的大孔孔径在100纳米以上。所述三维有序莫来石催化剂的化学式为AB2O5，其中，A为稀土金属；B为过渡金属。其中，A为La、Ce、Nd、Gd及Sm中的任一种，B为Fe、Co及Mn中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维有序莫来石催化剂，其适用于柴油机车排放的碳颗粒的催化氧化；其特征在于：所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构；所述三维有序莫来石催化剂包括有活性组分，所述活性组分包括稀土金属及过渡金属。

【技术特征摘要】
1.一种三维有序莫来石催化剂，其适用于柴油机车排放的碳颗粒的催化氧化；其特征在于：所述三维有序莫来石催化剂为具有大孔结构的莫来石型复合金属氧化物，所述大孔结构为均匀有序的反蛋白石结构；所述三维有序莫来石催化剂包括有活性组分，所述活性组分包括稀土金属及过渡金属。2.如权利要求1所述的三维有序莫来石催化剂，其特征在于：所述大孔结构的大孔孔径在100纳米以上。3.如权利要求1-2任一项所述的三维有序莫来石催化剂，其特征在于：所述三维有序莫来石催化剂的化学式为AB2O5，其中，A为稀土金属；B为过渡金属。4.如权利要求3所述的三维有序莫来石催化剂，其特征在于：A为La、Ce、Nd、Gd及Sm中的任一种，B为Fe、Co及Mn中的任一种。5.一种如权利要求1-4任一项所述的三维有序莫来石催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将含有活性组分的硝酸盐根据所述三维有序莫来石催化剂的化学式、按照预定计量比混溶于络合剂及浸润剂中，以得到所述三维有序莫来石催化剂的前驱体溶液；(2)将所述前驱体溶液浸润到胶体晶体模板上并进行抽滤干燥，之后分别在惰性气体及含氧气体中进行焙烧以去除所述胶体晶体模板来得到所述三维有序莫来石催化剂。6.如权利要求5所述的三维有序莫来石催化剂的制备方法，其特征在于：所述络合剂为乙二醇或柠檬酸，所述浸润剂为甲醇或水。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：单斌，陈永杰，陈蓉，冯子健，胡镔，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42