一种碳包覆镍铝复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种碳包覆镍铝复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料为颗粒状，包括镍铝内核和包裹在所述镍铝内核外表面的石墨外壳；所述镍铝内核包括单质镍、氧化镍和氧化铝；其中，所述复合材料中，石墨含量为1～8重量％，单质镍含量为45～55重量％，氧化镍含量为20～30重量％，氧化铝含量为15～34重量％。本发明专利技术提供的碳包覆镍铝复合材料以及采用本发明专利技术方法制备的碳包覆镍铝复合材料能在较低温度下将工业废气中的丁烷完全氧化，具有很好的工业应用前景。

A carbon-coated nickel-aluminium composite material and its preparation method and Application

The invention relates to a carbon-coated nickel-aluminium composite material and its preparation method and application. The composite material is granular, including a nickel-aluminium core and a graphite shell encapsulated on the outer surface of the nickel-aluminium core. The nickel-aluminium core includes elemental nickel, nickel oxide and alumina. The graphite content in the composite material is 1-8. By weight, the content of nickel, nickel oxide and alumina is 45-55%, 20-30% and 15-34% respectively. The carbon-coated nickel-aluminium composite material provided by the invention and the carbon-coated nickel-aluminium composite material prepared by the method of the invention can completely oxidize butane in industrial waste gas at lower temperature, and have good industrial application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆镍铝复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种碳包覆镍铝复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
碳复合材料目前由于其结构与性能特点被广泛关注和研究，其在复合材料、催化剂载体、传感器及能源转换等领域有良好的应用前景。碳复合材料的制备方法也较为多样，包括机械混合法、浸渍焙烧法、化学气相沉积法、电弧法等等。碳复合材料的结构根据碳的结构不同以及结合方式不同一般有碳纳米管负载材料、碳球负载材料、石墨烯负载材料以及碳包覆材料，碳包覆金属或者金属氧化物复合材料作为新兴的碳复合材料，其制备方法以及应用前景正在被人们重点关注。目前，碳包覆材料的制备主要有两种，一种是电弧法，例如苏党生等人在NATURECOMMUNICATIONS发表的“原位法碳包覆钴制备碳包覆氧化钴的高活性碳氢化合物催化燃烧催化材料”(DOI∶10.1038/ncomms8181)中以钴锭为钴源，乙醇为碳源在电弧法下制备碳包覆单质钴材料，而后再利用氧化作用将其转化为碳包覆的氧化钴复合材料，并且在甲烷的完全催化氧化中表现出较高活性(600℃左右将甲烷完全氧化为二氧化碳)；还有一种是浸渍焙烧法，如MatthiasBeller等人在ChemCatChem上发表的“氮掺杂石墨烯与纳米镍复合材料制备及催化还原反应应用”(DOI∶10.1002/cctc.201500848)中将醋酸镍和炭黑在乙醇中混合而后在一定温度下加入邻菲罗啉后进行真空干燥，而后在惰性气体下焙烧得到碳球负载碳包覆镍及少量氧化镍的复合材料。另外，关于挥发性有机化合物(VOCs)，它们通常是指在常温下饱和蒸汽压约大于70Pa，常压下沸点低于250℃的有机化合物，常见的比如烷烃、芳烃、醚醇、卤代烃等。在化工和石化行业中，VOCs的产生和排放最为主要，生活中也易碰到(装修产生甲醛等)。VOCs已经成为光化学烟雾的主要原因之一，是和氮氧化物、可吸入颗粒物等共同作为大气质量的重要控制污染物；另外它还有高毒性、致癌等危害，目前已经引起了人们的广泛关注，对于它的治理也成为了一个十分重要而有意义的研究课题。总而言之，碳包覆金属或金属氧化物材料的制备及性能已经被关注和研究，但方法不一，性能也不同，具有开阔的研究前景，目前利用该复合材料进行挥发性有机物的消除尚属于一个非常新颖的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳包覆镍铝复合材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的碳包覆镍铝复合材料以及采用本专利技术方法制备的碳包覆镍铝复合材料能在较低温度下将工业废气中的丁烷完全氧化，具有很好的工业应用前景。为了实现上述目的，本专利技术提供一种碳包覆镍铝复合材料，所述复合材料为颗粒状，包括镍铝内核和包裹在所述镍铝内核外表面的石墨外壳；所述镍铝内核包括单质镍、氧化镍和氧化铝；其中，以所述复合材料的总重量为基准，所述复合材料中，石墨含量为1～8重量％，单质镍含量为45～55重量％，氧化镍含量为20～30重量％，氧化铝含量为15～34重量％。可选的，以所述复合材料的总重量为基准，所述复合材料中，石墨含量为3～6重量％，单质镍含量为46～51重量％，氧化镍含量为20～27重量％，氧化铝含量为20～27重量％。可选的，所述复合材料的颗粒大小为5～80纳米。可选的，所述石墨外壳中含有氧元素，所述石墨外壳中含有氧元素；该氧元素的XPS分析中，出峰范围在532～533ev之间所对应的羧基氧的摩尔数占所有氧官能团中的氧的摩尔数的比例为0～5％。本专利技术还提供一种所提供的碳包覆镍铝复合材料的制备方法，该方法包括：a、制备镍铝前驱体；b、将所得镍铝前驱体依次在保护气体中进行升温热处理和采用低碳烷烃作为碳源气体在750℃～900℃下进行气相沉积石墨外壳，得到所述碳包覆镍铝复合材料；其中，采用碳源气体进行气相沉积石墨外壳的时间为5～240分钟，碳源气体的流量为10-500毫升/(分钟·克镍铝前驱体)。可选的，步骤a中所述制备镍铝前驱体的方式为共沉淀和/或水热晶化。可选的，步骤a中所述制备镍铝前驱体的步骤包括：将碱液与含有三价铝盐和二价镍盐的水溶液同时滴加至水中进行沉淀处理，使三价铝盐和二价镍盐生成共沉淀物；将该共沉淀物进行陈化处理。可选的，所述三价铝盐包括硝酸铝和/或氯化铝，所述二价镍盐包括硝酸镍和/或氯化镍，所述三价铝盐中的铝与二价镍盐中的镍的摩尔比为1：(2～4)；所述碱液为包括氢氧化钠和碳酸钠的水溶液，所述碱液中氢氧化钠的浓度为0.2～4摩尔/升，碳酸钠的浓度为0.1～2摩尔/升；所述氢氧化钠的摩尔数与三价铝盐和二价镍盐中铝和镍的总摩尔数的比例为(2～4)：1，所述碳酸钠的摩尔数与三价铝盐和二价镍盐中铝和镍的总摩尔数的比例为(0.5～2)：1。可选的，所述沉淀处理的条件包括：温度为40℃至小于100℃；所述陈化处理的条件包括：温度为40℃至小于100℃，时间为2～48小时。可选的，所述方法还包括：将经过升温热处理的镍铝前驱体与氢气接触并进行镍还原处理，所述镍还原处理的条件包括：温度为500～900℃，时间为2～60分钟，氢气流量为30～50毫升/(分钟·克镍铝前驱体)。可选的，所述升温热处理的步骤包括：在通有保护气体的情况下将所述镍铝前驱体升温至镍还原处理的温度或气相沉积石墨外壳的温度；其中，所述保护气体为氮气和/或氩气，所述保护气体的流量为10～500毫升/(分钟·克镍铝前驱体)，所述升温的速度为1～5℃/分钟。可选的，采用碳源气体进行气相沉积石墨外壳的温度为780℃～850℃，时间为60～120分钟；所述碳源气体为甲烷或乙烷，碳源气体的流量为30～100毫升/(分钟·克镍铝前驱体)。本专利技术还提供一种所提供的碳包覆镍铝复合材料在催化氧化工业废气中的应用，该应用包括：将所述碳包覆镍铝复合材料作为催化剂与工业废气接触并在催化氧化条件下进行催化氧化反应；其中，该工业废气为工业正丁烷氧化制备顺酐生产工艺所产生的废气，且含有丁烷和氧气。可选的，所述催化氧化条件包括：温度为200～500℃，反应空速为2000～5000毫升工业废气/(小时·克碳包覆镍铝复合材料)；在工业废气中，以体积计，所述丁烷的含量为0.01-2体积％。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1)本专利技术将高分散镍铝前驱体采用化学气相沉积法进行制备碳包覆镍铝复合材料，该材料组成和结构新颖独特，制备方法与工艺设备简单。2)本专利技术提供的碳包覆镍铝复合材料能在较低温度下将工业正丁烷氧化制备顺酐生产工艺所产生的废气中的低浓度丁烷完全氧化，具有很好的工业应用前景。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1包括实施例1所制备的刻蚀前后复合材料(A2和A3)的X射线衍射谱图(XRD)，也包括对比例1和2所制备的复合材料(G2和H2)的X射线衍射谱图(XRD)，其中，横坐标为2θ角，单位为°，纵坐标为强度(intensity)；图2为实施例1所制备的镍铝前驱体(A1)的扫描电镜图(SEM)；图3和图4为实施例1所制备的刻蚀前的复合材料(A2)的高倍透射电镜图(HRTEM)；图5为实施例1所制备的刻蚀后的复合材料(A3)的高倍透射电镜图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆镍铝复合材料，所述复合材料为颗粒状，包括镍铝内核和包裹在所述镍铝内核外表面的石墨外壳；所述镍铝内核包括单质镍、氧化镍和氧化铝；其中，以所述复合材料的总重量为基准，所述复合材料中，石墨含量为1～8重量％，单质镍含量为45～55重量％，氧化镍含量为20～30重量％，氧化铝含量为15～34重量％。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆镍铝复合材料，所述复合材料为颗粒状，包括镍铝内核和包裹在所述镍铝内核外表面的石墨外壳；所述镍铝内核包括单质镍、氧化镍和氧化铝；其中，以所述复合材料的总重量为基准，所述复合材料中，石墨含量为1～8重量％，单质镍含量为45～55重量％，氧化镍含量为20～30重量％，氧化铝含量为15～34重量％。2.根据权利要求1所述的碳包覆镍铝复合材料，其中，以所述复合材料的总重量为基准，所述复合材料中，石墨含量为3～6重量％，单质镍含量为46～51重量％，氧化镍含量为20～27重量％，氧化铝含量为20～27重量％。3.根据权利要求1所述的碳包覆镍铝复合材料，其中，所述复合材料的颗粒大小为5～80纳米。4.根据权利要求1所述的碳包覆镍铝复合材料，其中，所述石墨外壳中含有氧元素；该氧元素的XPS分析中，出峰范围在532～533ev之间所对应的羧基氧的摩尔数占所有氧官能团中的氧的摩尔数的比例为0～5％。5.一种权利要求1-4中任意一项所述的碳包覆镍铝复合材料的制备方法，该方法包括：a、制备镍铝前驱体；b、将所得镍铝前驱体依次在保护气体中进行升温热处理和采用低碳烷烃作为碳源气体在750℃～900℃下进行气相沉积石墨外壳，得到所述碳包覆镍铝复合材料；其中，采用碳源气体进行气相沉积石墨外壳的时间为5～240分钟，碳源气体的流量为10-500毫升/(分钟·克镍铝前驱体)。6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤a中所述制备镍铝前驱体的方式为共沉淀和/或水热晶化。7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤a中所述制备镍铝前驱体的步骤包括：将碱液与含有三价铝盐和二价镍盐的水溶液同时滴加至水中进行沉淀处理，使三价铝盐和二价镍盐生成共沉淀物；将该共沉淀物进行陈化处理。8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述三价铝盐包括硝酸铝和/或氯化铝，所述二价镍盐包括硝酸镍和/或氯化镍，所述三价铝盐中的铝与二价镍盐中的镍的摩尔比为1：(2～4)；所述碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张赛赛，荣峻峰，林伟国，于鹏，谢婧新，宗明生，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11