本发明专利技术涉及一种用于臭氧分解的催化剂及其制备方法和用途，所述催化剂为拥有镍铁水滑石结构的层状双金属氢氧化物，所述催化剂中镍元素和铁元素的摩尔比为(2.5‑3.5):1，将其用于催化分解臭氧，在臭氧浓度为40ppm、测试温度为30℃、相对湿度为65％，空速为840,000mL/g/h的条件下，催化反应进行6h后，其催化臭氧分解的转化率最高可达89％；同时本发明专利技术所述催化剂的结构稳定性较高，在上述测试条件下，催化反应进行120h后，其催化臭氧分解的效率最高仍可达79％。
【技术实现步骤摘要】
一种用于臭氧分解的催化剂及其制备方法和用途
本专利技术属于催化剂领域，涉及一种用于臭氧分解的催化剂及其制备方法和用途。
技术介绍
臭氧是地球大气中一种微量气体，大气中90％以上的臭氧存在于大气层的上部或平流层，离地面有10～50千米，这才是需要人类保护的大气臭氧层。还有少部分的臭氧分子在近地面，仍能对阻挡紫外线有一定作用。但是，目前地面附近大气中的臭氧浓度有快速增高的趋势，虽然臭氧在平流层起到了保护人类与环境的重要作用，但若其在对流层浓度增加，则会对人体健康产生有害影响；臭氧对眼睛和呼吸道有刺激作用，对肺功能也有影响，较高浓度的臭氧对生态系统也是有害的。CN109985633A中公开了一种臭氧分解催化剂，在催化剂载体上负载有氧化铁与二氧化锰，氧化铁与催化剂载体的重量比为(0.07～0.6):1，二氧化锰与催化剂载体的重量比为(0.08～0.8):1；其制备方法包括：将Fe(NO3)3·9H2O加入Mn(NO3)2溶液中形成混合溶液；将催化剂载体加入混合溶液中，用氨水调节混合溶液的pH值为8～9，形成混合浆料；将混合浆料置于陶瓷托盘中，烘干得到催化剂粉体；将粉体放入马弗炉中，在N2保护下焙烧，焙烧结束后，在N2保护下冷却至180～200℃，停止通N2，自然冷却至室温，即得到臭氧分解催化剂，此方案所述催化剂的制备过程需高温处理，能耗较高。CN106824218A公开了一种高效耐湿臭氧分解催化剂及其制备方法，所述催化剂以锰、铜、镍和钴的氧化物作为活性组分，其制备方法为溶胶凝胶法，制备过程中将四水合硝酸锰、三水合硝酸铜、六水合硝酸镍和六水合硝酸钴溶于去离子水中得到硝酸盐溶液，将硝酸盐溶液缓慢加入柠檬酸和阳离子表面活性剂的混合溶液中，通过氨水调节混合溶液酸碱度后恒温搅拌得到凝胶，之后经干燥、煅烧，得到所述催化剂；此方案所述方法的制备过程中需加入阳离子表面活性剂和柠檬酸，且催化剂的制备过程中需煅烧，能耗高，使得所述催化剂的制备成本较高。因此，开发一种耐高空速、具有高的催化稳定性且制备方法简单的臭氧分解催化剂及其制备方法仍具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于臭氧分解的催化剂及其制备方法和用途，所述催化剂为拥有镍铁水滑石结构的层状双金属氢氧化物，所述催化剂中镍元素和铁元素的摩尔比为(2.5-3.5):1，将其用于催化分解臭氧，在臭氧浓度为40ppm、测试温度为30℃、相对湿度为65％，空速为840,000mL/g/h的条件下，催化反应进行6h后，其催化臭氧分解的转化率最高可达89％；同时本专利技术所述催化剂的结构稳定性较高，在上述测试条件下，催化反应进行120h后，其催化臭氧分解的效率最高仍可达79％。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种用于臭氧分解的催化剂，所述催化剂为镍铁水滑石结构，其中，Ni元素和Fe元素的摩尔比为(2.5-3.5):1，例如2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1、3:1、3.1:1、3.2:1、3.3:1、3.4:1或3.5:1等。本专利技术所述催化剂为拥有镍铁水滑石结构的层状双金属氢氧化物，所述催化剂的结构中，镍元素和铁元素达到原子级分散，产生更强的协同作用和更多的活性位点，使得所述催化剂在催化臭氧分解的过程中具有高的催化活性，且其结构稳定性高，随着催化反应的进行，催化剂的活性下降较小；同时，本专利技术所述催化剂的抗水性能较好，在相对湿度为65％的条件下，其仍能在长时间内(120小时以内)保持高的催化臭氧分解的效率。优选地，所述催化剂中Ni元素与Fe元素的摩尔比为(2.8-3.2):1，例如2.9:1、3:1、3.1:1或3.2:1等。由实验研究表明，本专利技术所述镍铁水滑石结构的催化剂中镍元素与铁元素的摩尔比为3:1时，其催化性能最佳，因此，本专利技术优选地镍铁水滑石结构的催化剂中镍元素和铁元素的摩尔比为(2.8-3.2):1。优选地，所述催化剂通过共沉淀法制备得到。第二方面，本专利技术提供了如第一方面所述的用于臭氧分解的催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)配制含镍前驱体和铁前驱体的水溶液；(2)配制含碱金属氢氧化物和碱金属碳酸盐的水溶液；(3)将步骤(1)和步骤(2)中的水溶液混合，加热搅拌，得到所述催化剂。本专利技术所述镍铁水滑石结构的催化剂的制备过程中，首先，配制含镍前驱体和铁前驱体的水溶液和含碱金属氢氧化物和碱金属碳酸盐的水溶液，之后将上述水溶液进行缓慢混合，之后加热搅拌，使金属离子和碱性离子等受热处于活跃状态，有利于不同离子之间的充分反应，在加热搅拌的过程中混合溶液中的镍离子、铁离子与碱金属碳酸盐和碱金属氢氧化物发生反应，从而得到本专利技术所述拥有镍铁水滑石结构的层状双金属氢氧化物。此处采用碱金属氢氧化物和碱金属碳酸盐作为金属离子沉淀的沉淀剂，其碱性较强能提供足够的碱性环境，且在清洗时能够轻易的被去除。优选地，步骤(1)所述镍前驱体包括硝酸镍、氯化镍或硫酸镍中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括硝酸镍和氯化镍的组合、硫酸镍和硝酸镍的组合或氯化镍和硫酸镍的组合等。优选地，步骤(1)所述铁前驱体包括硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括硝酸铁和氯化铁的组合、硫酸铁和硝酸铁的组合或氯化铁和硫酸铁的组合等。优选地，步骤(1)所述含镍前驱体和铁前驱体的水溶液中金属离子的浓度为0.8-1.2mol/L，例如0.85mol/L、0.9mol/L、0.95mol/L、1mol/L、1.05mol/L、1.1mol/L或1.15mol/L等。本专利技术所述方法的制备过程中控制含镍前驱体和铁前驱体的水溶液中金属离子的浓度为0.8-1.2mol/L，其有利于合成高结晶度的水滑石，而当金属离子的浓度＜0.8mol/L时，离子浓度较低，结晶度明显降低，结晶不好，当金属离子的浓度＞1.2mol/L时，其浓度过高，结晶不充分。优选地，步骤(2)所述碱金属氢氧化物包括氢氧化钠和/或氢氧化钾。优选地，步骤(2)所述碱金属碳酸盐包括碳酸钠和/或碳酸钾。优选地，步骤(2)所述水溶液中碱金属氢氧化物的浓度为1.5-1.7mol/L，例如1.55mol/L、1.6mol/L或1.65mol/L等。本专利技术所述方法的制备过程中控制步骤(2)的水溶液中碱金属氢氧化物的浓度为1.5-1.7mol/L，其有利于形成一定比例的层状水滑石结构，当碱金属氢氧化物的浓度小于1.5mol/L时，则提供的氢氧根的量不足以形成完整的水滑石结构，造成结晶度变低；当碱金属氢氧化物的浓度大于1.7mol/L，其氢氧根过量，容易导致氢氧化物杂质成份的形成。优选地，步骤(2)所述水溶液中碱金属碳酸盐的浓度为0.4-0.6mol/L，例如0.45mol/L、0.5mol/L或0.55mol/L等。本专利技术所述方法的制备过程中控制步骤(2)中所述水溶液中碱金属碳酸盐的浓度为0.4-0.6mol/L，其有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于臭氧分解的催化剂，其特征在于，所述催化剂为镍铁水滑石结构，其中，Ni元素和Fe元素的摩尔比为(2.5-3.5):1。/n
【技术特征摘要】
1.一种用于臭氧分解的催化剂，其特征在于，所述催化剂为镍铁水滑石结构，其中，Ni元素和Fe元素的摩尔比为(2.5-3.5):1。
2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂中Ni元素与Fe元素的摩尔比为(2.8-3.2):1。
3.如权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂通过共沉淀法制备得到。
4.如权利要求1-3任一项所述的用于臭氧分解的催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)配制含镍前驱体和铁前驱体的水溶液；
(2)配制含碱金属氢氧化物和碱金属碳酸盐的水溶液；
(3)将步骤(1)和步骤(2)中的水溶液混合，加热搅拌，得到所述催化剂。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述镍前驱体包括硝酸镍、氯化镍或硫酸镍中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述铁前驱体包括硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述含镍前驱体和铁前驱体的水溶液中金属离子的浓度为0.8-1.2mol/L。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述碱金属氢氧化物包括氢氧化钠和/或氢氧化钾；
优选地，步骤(2)所述碱金属碳酸盐包括碳酸钠和/或碳酸钾；
优选地，步骤(2)所述水溶液中碱金属氢氧化物的浓度为1.5-1.7mol/L；
优选地，步骤(2)所述水溶液中碱金属碳酸盐的浓度为0.4-0.6mol/L。
7.如权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中将步骤(1)和步骤(2)中的水溶液混合的方法包括将步骤(1)中的水溶液和步骤(2)中的水溶液同时加入70-90℃的热水中，搅拌混合，得到混合溶液；
优选地，步骤(1)中的水溶液和步骤(2)中的水溶液...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺泓，马金珠，陈莹法，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。