一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂具有纳米颗粒堆积结构形貌的过渡金属氧化物型催化剂，所述过渡金属氧化物型催化剂含有过渡金属元素Ce+Mn。本发明专利技术所述方法成本低廉，产率高效，无需专业设备，具有极大的产业化生产价值。

High porosity catalyst for soot combustion and preparation method and application thereof

The present invention relates to a high porosity carbon smoke combustion catalyst and its preparation method and application. The catalyst has a transition metal oxide catalyst with nano particles stacking structure and morphology, and the transition metal oxide catalyst contains the transition metal element Ce+Mn. The method of the invention has the advantages of low cost, high yield, no need of professional equipment, and great industrial production value.

【技术实现步骤摘要】
一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于催化材料
，具体涉及用于柴油车尾气中碳烟燃烧的一种高孔隙率催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
柴油车由于其经济、热效高以及航程长等优势而在实际生活中得到广泛的应用。然而，柴油机排放的颗粒物(PM，主要为碳黑颗粒)和氮氧化物严重危害了环境和人类，因此，高效的后处理净化工艺势在必行。通常，一个微粒过滤器(DPF)被用来收集柴油车尾气中的碳黑颗粒，收集的碳黑颗粒可以在一个相当高的温度(>600℃)被O2氧化。然而，柴油机的排气温度一般在150到400℃，其较低的温度难以让尾气中的碳黑颗粒得以燃烧，长期使用后导致DPF失活。因此，开发一种高效的催化剂，使碳黑颗粒在较低的温度下完全氧化是一项迫在眉睫的工作。常见的用于碳烟颗粒氧化的催化剂，如：CeO2基化合物、钙钛矿氧化物、贵金属基催化剂等，或是因为缺乏多孔结构而不利于活性位点与碳颗粒的接触进而导致催化剂活性过低，或是因为多孔结构的制备成本过于高昂，或是因为贵金属的高成本和易中毒性，从而不利于碳烟颗粒氧化催化剂的规模应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种高孔隙率的碳烟燃烧催化剂及其制备方法和应用。一方面，本专利技术提供了一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂，所述催化剂为具有纳米颗粒堆积结构形貌的过渡金属氧化物型催化剂，所述过渡金属氧化物型催化剂含有过渡金属元素Ce+Mn。本专利技术所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂材料呈现结构疏松的纳米颗粒堆积形貌，晶化良好，具有大量的堆积孔，催化碳烟颗粒燃烧性能好，循环使用性能佳(见图10)，在固体污染物的燃烧降解方面有潜在应用前景。较佳地，所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂中Ce/Mn的摩尔比例为0.5～50，优选为2～4。较佳地，所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂中纳米颗粒的直径为20～50nm。较佳地，所述催化剂的比表面积为30～80m2/g，孔径大小为10～100nm。另一方面，本专利技术还提供了一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂的制备方法，将含有Ce源和Mn源的金属盐溶液A和碱性溶液B混合后搅拌一定时间，再经离心水洗、干燥后在400～600℃下煅烧1～5小时，得到所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂。本专利技术以含有Ce源和Mn源的金属盐溶液A和碱性溶液B为原始反应溶液，采用改造后的共沉淀法制备高孔隙率碳烟燃烧催化剂，所述方法便于操作及放大生产，原料廉价易得，无需专业设备，具有极大的产业化应用前景。较佳地，所述Ce源为Ce的硝酸盐，醋酸盐，硫酸盐、氯化物中的至少一种，所述Mn源为Mn的硝酸盐，醋酸盐，硫酸盐、氯化物中的至少一种，所述金属盐溶液A的中金属离子的摩尔浓度为0.01～0.50mol/L。较佳地，所述碱性溶液B中溶质为碳酸氢盐或/和碳酸盐，优选为碳酸氢盐，所述碱性溶液B的浓度为0.5～5.0mol/L。较佳地，将所述金属盐溶液A和碱性溶液B在0～100℃下搅拌5分钟～24小时。较佳地，所述金属盐溶液A和碱性溶液B混合方式为碱性溶液B快速倒入金属盐溶液A中、金属盐溶液A滴入碱性溶液B中、或金属盐溶液A与碱性溶液B并流沉淀，优选为碱性溶液B快速倒入金属盐溶液A中。较佳地，所述金属盐溶液A和碱性溶液B的体积比为(0.1～10)：1。再一方面，本专利技术还提供了一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂在机动车尾气处理中的应用。本专利技术提供了高孔隙率碳烟燃烧催化剂及其制备方法。所述材料经共沉淀法制得，室温下生成，不添加任何有机试剂，经煅烧后晶化良好，形貌均一，粒径均匀，能够将碳烟颗粒在360℃以下燃烧完全，且具有很好的循环使用性能。该方法成本低廉，产率高效，无需专业设备，具有极大的产业化生产价值。附图说明图1为本专利技术实施例1所制得的Ce4Mn1复合氧化物催化剂的低倍扫描电子显微镜图；图2为本专利技术实施例1所制得的Ce4Mn1复合氧化物催化剂的高倍扫描电子显微镜图；图3为本专利技术实施例1所制得的Ce4Mn1复合氧化物催化剂的扫描电镜-能谱分析；图4为本专利技术实施例1所制得的Ce4Mn1复合氧化物催化剂的透射电镜-元素面分布图；图5为本专利技术实施例1所制得的Ce4Mn1复合氧化物催化剂的氮气吸脱附曲线和孔径分布图；图6为本专利技术实施例1所制得的Ce4Mn1复合氧化物催化剂的X射线衍射图谱；图7为本专利技术实施例2所制得的Ce2Mn1复合氧化物催化剂的高倍扫描电子显微镜图；图8为本专利技术实施例2所制得的Ce2Mn1复合氧化物催化剂的X射线衍射图谱；图9为本专利技术实施例3中Ce4Mn1复合氧化物催化剂在NOx/O2气氛中对碳烟颗粒的催化转化效果图；图10为本专利技术实施例4中Ce2Mn1复合氧化物催化剂在NOx/O2气氛中对碳烟颗粒的循环催化转化效果图；图11为不同Ce/Mn原子比的产物的SEM形貌图。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术中高孔隙率碳烟燃烧催化剂为结晶良好且具有结构疏松的纳米颗粒(尺寸为20～50nm)堆积结构形貌的过渡金属氧化物型催化剂，所述过渡金属氧化物型催化剂含有过渡金属元素Ce+Mn。所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂中纳米颗粒的直径可为20～50nm。本专利技术中，所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂中Ce/Mn的摩尔比例为0.5～50，优选为2～4。本专利技术利用非常简单廉价的方法(改造后的共沉淀法)，获得了高活性的碳烟燃烧催化剂。以下示例性地说明本专利技术提供的高孔隙率碳烟燃烧催化剂的制备方法。将一定量、一定比例的原料物质溶解到一定量的溶剂(例如水、醇水溶液等)中得到含有Ce源和Mn源的金属盐溶液A(以下简称为溶液A)。原料物质可以是Ce和Mn的硝酸盐，醋酸盐，硫酸盐或氯化物中的一种或几种。Ce源和Mn源优选为硝酸盐。溶液A中金属离子(Ce离子和Mn离子)的浓度可为0.01～0.50mol/L，优选为0.10～0.30mol/L。同时选用Mn盐和Ce盐时，溶液A中Ce/Mn的摩尔比例可为0.5～50，优选为2～4。将沉淀剂溶解到一定量的溶剂(例如水、醇水溶液等)中得到碱性溶液B。碱性溶液B所用沉淀剂可以是碳酸氢盐，碳酸盐(例如碳酸铵或/和碳酸钠)等碱性物质，优选为碳酸氢盐(例如碳酸氢铵、碳酸氢钠等)。所得碱性溶液B中沉淀剂的浓度可为0.5～5.0mol/L，优选为0.5～1.0mol/L。搅拌条件下，将溶液A、碱性溶液B混合，一定温度下搅拌一定时间，得到含有沉淀物质(Ce和Mn的碳酸盐或/和碱式碳酸盐混合物)的混合液。其中溶液A、碱性溶液B混合方式可以是碱性溶液B快速倒入溶液A中，采用快速倒入(倒加)的方式时，其加入速度一般超过50mL/min，优选超过600ml/分钟，更优选超过1200mL/min。或者将溶液A滴入碱性溶液B中，采用滴加的方式时，其加入速度可为1-50mL/min。还可以将溶液A、碱性溶液B并流沉淀。采用上述方式混合时，Ce、Mn同时沉淀，最终得到Ce、Mn两元素均匀复合的产物。所述混合方式优选将碱性溶液B快速倒入溶液A中。溶液A、碱性溶液B混合可在可在0～100℃下进行，优选为在室温25℃下进行，不用加热或冷却，所以比较节能。溶液A、碱性溶液B混合时间为5分钟到24小时，优选为10分钟到1小时，反应可以快速完成。所述溶液A和碱性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂，其特征在于，所述催化剂为具有纳米颗粒堆积结构形貌的过渡金属氧化物型催化剂，所述过渡金属氧化物型催化剂含有过渡金属元素Ce+Mn。

【技术特征摘要】
1.一种高孔隙率碳烟燃烧催化剂，其特征在于，所述催化剂为具有纳米颗粒堆积结构形貌的过渡金属氧化物型催化剂，所述过渡金属氧化物型催化剂含有过渡金属元素Ce+Mn。2.根据权利要求1所述的高孔隙率碳烟燃烧催化剂，其特征在于，所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂中Ce/Mn的摩尔比例为0.5～50，优选为2～4。3.根据权利要求1或2所述的高孔隙率碳烟燃烧催化剂，其特征在于，所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂中纳米颗粒的直径为20～50nm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的高孔隙率碳烟燃烧催化剂，其特征在于，所述催化剂的比表面积为30～80m2/g，孔径大小为10～100nm。5.一种如权利要求1-4中任一项高孔隙率碳烟燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，将含有Ce源和Mn源的金属盐溶液A和碱性溶液B混合后搅拌一定时间，再经离心水洗、干燥后在400～600℃下煅烧1～5小时，得到所述高孔隙率碳烟燃烧催化剂。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晗，周晓霞，王敏，潘琳钰，陈航榕，施剑林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31