木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的方法技术

本发明专利技术涉及一种木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的制造方法，设计并构建了一种人造仿生木材结构Ce

Preparation of 3D macroporous cerium zirconium oxide catalyst by wood template method

【技术实现步骤摘要】
木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的方法
本专利技术属3D大孔结构催化剂材料制造方法类，特别涉及一种利用木材模板法制备3D大孔铈锆固溶体催化剂的制造方法。
技术介绍
随着经济社会的发展，空气污染愈发严重，而这直接影响人类健康。因此，如何预防和降解空气中的有害气体是国际社会公认的难题，空气污染防治问题亟待解决，刻不容缓。目前，普遍认为来自固定和移动源的氮氧化物(NOx，包括NO和NO2)被认为是主要的空气污染物，用NH3选择性催化还原(SCR)是除去NOx的最有效技术之一。因此，对高NOx转化的不断增长的需求推动了对高性能SCR催化材料的基础研究。多年来专家学者已经研究了许多种催化材料，其中具有高储氧能力和优异的氧化还原性能氧化铈基氧化物被认为是NH3-SCR中最有希望的催化剂材料之一。研究人员发现，通过用二次元素(如阳离子Zr3+)与氧化铈复合以形成ZrO2-CeO2二元氧化物，可以使这种氧化物的比表面积、热稳定性和氧空位密度可以得到非常明显的改善。这主要涉及到两个因素：一个是Ce3+和Ce4+的改性电子结构，它与气态反应物的吸附和解吸特性有关；另一个是Ce3+-O-Ce4+的键合强度，其与氧空位的形成能有关。然而，由于较低的表面积和表面氧空位密度，纯ZrO2-CeO2在低温下仍表现出活性很低的“致命弱点”，致使其在高性能SCR催化剂中的实际应用长期受到阻碍。因此，提出一种新的技术策略，即合理地改变ZrO2-CeO2的结构，以促进与表面活性氧种类相关的表面积和表面氧空位密度，对于获得更为优异的催化性能具有非常重要的意义。因此，在各种具有可行性的技术策略中，开发具有生物结构的人工催化系统是一个非常新颖有趣的概念。通过模拟天然生物的多层次和多维内在结构和形态特征，使用人工耦合技术，结合纳米技术，分子生物学，界面化学以及物理模型等，一种新的结构功能集成材料，具有精细的结构和自然形态，即遗态结构物质，适时出现。简而言之，这是利用生物有序聚集结构作为模板合成人造无机材料的一种方法(生物模板法)。在各种生物质材料中，天然木材由于其大规模、丰富的品种，可再生的、低成本和大规模制备的强可操作性而成为合适的生物模板材料。实际上，天然木材的整体结构非常有利于获得比表面积大，氧空位密度高的材料：多孔结构可以提高缺陷含量；与“蜂窝”类似的木材串并联结构可以提高多孔网络连通性，实现高表面积的三维结构。然而，高表面活性氧的结构优势尚未被所重视；此外，关于其在催化中的潜在应用前景的研究很少，大多数在保温，耐高温过滤器和医用植入物中。因此，本研究在此背景下提出，我们用Ce0.7Zr0.3O2二元氧化物表达这一概念。通过复制木材多尺度分级孔道结构，设计并构建了一种有趣且新颖的人造仿生木材结构Ce0.7Zr0.3O2催化剂，具有较大的比表面积和较高的表面活性氧，以取代传统的Ce0.7Zr0.3O2催化剂，实现用NH3还原NOx高效选择性催化。
技术实现思路
本专利技术旨在解决提供利用木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的制造方法。为解决上述技术问题，提出催化性能更为优异的基于仿生木材制备高比表面积、高表面缺陷氧化物催化剂的制造方法，其特征在于：以来源于丰富的林木资源包括林木剩余物在内的木材为模板，以无机化合物硝酸铈、硝酸锆为前驱体，加入作为络合剂的柠檬酸通过超声振荡与微纳浸渍的处理方式赋予制备出的铈锆固溶体多级孔道结构，采用高温焙烧工艺手段制造一种3D大孔结构的铈锆固溶体。利用木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的制造方法，包括下述步骤：(1)木材抽提处理：将长宽为2cm、高为2mm的木片置于稀氨水溶液中，在70～90℃的水浴温度下将木片孔隙中的大分子有机物，内含物以及灰分抽提出去，然后用去离子水与无水乙醇反复洗涤三次。(2)硝酸铈硝酸锆溶液的配置：取一定质量做为前驱体的六水硝酸铈和五水硝酸锆与作为络合剂的一定质量柠檬酸溶于一定量去离子水中配置成一定质量浓度的铈锆固溶体初产品溶液，将该溶液加热搅拌，使前驱体与络合剂充分融于溶液中。(3)硝酸铈硝酸锆溶液浸渍至木片：将步骤(1)所得木片置于步骤(2)所得硝酸铈硝酸锆溶液中，通过超声振荡以及真空微纳浸渍处理方式将铈锆固溶体溶液充分浸渍至处理后的木片中，并置于烘箱中在温度为70～90℃的条件下进行干燥处理8～14h。(4)高温焙烧：将步骤(3)所得干燥后的浸渍木片置于管式炉中，设定温度在300～500℃条件下通入空气焙烧4～6h，脱除木材模板，得具有木材仿生结构的铈锆固溶体。作为优化，所述处理木片所需的稀氨水溶液质量浓度为2～10％。作为优化，所述配置铈锆固溶体初产品溶液六水硝酸铈质量浓度为5～20％，五水硝酸锆质量浓度为5～20％，柠檬酸质量浓度为10～25％。作为优化，所述放入木片后的铈锆固溶体初产品溶液超声振荡处理1～2h，浸渍处理4～6h。作为优化，所述铈锆固溶体制备过程中所用模板为杨木木材。采用本专利技术的制造方法制造木材仿生结构铈锆固溶体，一方面，可以改善铈锆固溶体制备工艺，同时可极大提高铈锆固溶体催化吸附性能，该工艺操作简便，成本低廉，适合工业化推广，有利于提高木质材料的高附加值利用，同时扩大了铈锆固溶体的应用领域，实现了我国催化剂领域高效利用。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式中基于仿生木材制备高比表面积、高表面缺陷氧化物催化剂的制造方法如下：(1)木材抽提处理：将长宽为2cm、高为2mm的木片置于500ml浓度为5％稀氨水溶液中，在85℃的水浴温度下将木片孔隙中的大分子有机物，内含物以及灰分抽提出去，然后用去离子水与无水乙醇反复洗涤三次，其中每次需去离子水洗涤2h后用无水乙醇洗涤2h。(2)铈锆固溶体初产品溶液的配置：取做为前驱体质量浓度为15％的六水硝酸铈和质量浓度为15％五水硝酸锆与作为络合剂质量浓度为20％的柠檬酸溶于500ml的去离子水中配置成铈锆固溶体溶液，将该溶液加热搅拌，使前驱体与络合剂充分溶于溶液中。(3)铈锆固溶体浸渍至木片：将步骤(1)所得木片置于步骤(2)所得铈锆固溶体溶液中，通过超声振荡处理1h以及真空微纳浸渍处理5h的方式将铈锆固溶体初产品溶液充分浸渍至处理后的木片中，并置于烘箱中在温度为90℃的条件下进行干燥处理10h。(4)高温焙烧：将步骤(3)所得干燥后的浸渍木片置于管式炉中，设定温度在400℃条件下通入空气焙烧5h，脱除木材模板，得到具有木材仿生结构的铈锆固溶体。具体实施方式二：本实施方式中基于仿生木材制备高比表面积、高表面缺陷氧化物催化剂的制造方法如下：(1)木材抽提处理：将长宽为4cm、高为4mm的木片置于500ml浓度为5％稀氨水溶液中，在85℃的水浴温度下将木片孔隙中的大分子有机物，内含物以及灰分抽提出去，然后用去离子水与无水乙醇反复洗涤三次，其中每次需去离子水洗涤2h后用无水乙醇洗涤2h。(2)铈锆固溶体初产品溶液的配置：取做为前驱体质量浓度为15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的制造方法，其包括以下步骤：/n(1)将杨木锯切为长宽为2cm、高为2mm木片，然后将木片置于一定浓度的稀氨水溶液中，在70～100℃的条件下处理8～10h，然后将处理后的木片用去离子水洗涤1～3h，再用无水乙醇脱水处理1～3h，洗涤脱水步骤反复处理三次，然后将木片进行常温干燥4～12h。/n(2)称取一定质量的六水硝酸铈和五水硝酸锆与一定质量柠檬酸，配置成一定质量浓度的铈锆固溶体溶液，加热搅拌，使前驱体与络合剂充分融于溶液中。/n(3)将步骤(1)中的木片放入步骤(2)中的铈锆溶液中，然后将其置于超声清洗机中进行超声震荡处理，将处理后的木片放于真空干燥机中进行浸渍处理。将浸渍后的木片在70～90℃的条件下干燥处理8～14h，得到干燥后的浸渍木片。/n(4)将步骤(4)中所得的干燥后的浸渍木片置于管式炉中，300～500℃条件下通入空气焙烧4～6h，脱除木材模板，得具有3D大孔结构的铈锆固溶体。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用木材模板法制备3D大孔铈锆氧化物催化剂的制造方法，其包括以下步骤：
(1)将杨木锯切为长宽为2cm、高为2mm木片，然后将木片置于一定浓度的稀氨水溶液中，在70～100℃的条件下处理8～10h，然后将处理后的木片用去离子水洗涤1～3h，再用无水乙醇脱水处理1～3h，洗涤脱水步骤反复处理三次，然后将木片进行常温干燥4～12h。
(2)称取一定质量的六水硝酸铈和五水硝酸锆与一定质量柠檬酸，配置成一定质量浓度的铈锆固溶体溶液，加热搅拌，使前驱体与络合剂充分融于溶液中。
(3)将步骤(1)中的木片放入步骤(2)中的铈锆溶液中，然后将其置于超声清洗机中进行超声震荡处理，将处理后的木片放于真空干燥机中进行浸渍处理。将浸渍后的木片在70～90℃的条件下干燥处理8～14h，得到干燥后的浸渍木片。
(4)将步骤(4)中所得的干燥后的浸渍木片置于管式炉中，300～500℃条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭明辉，高杏，张硕，杜文鑫，董悦，龚新超，张华栋，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23