一种芳香化合物催化燃烧催化剂及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于环境催化技术领域，具体公开了一种芳香化合物催化燃烧催化剂，其包括具有细胞壁阵列结构的木材基底，细胞壁的骨架表面原位复合有碳膜以及弥散分布的氧化石墨烯包覆的贵金属纳米颗粒。本发明专利技术还提供了所述的催化剂的制备和在催化芳基化合物例如甲苯氧化降解中的应用。本发明专利技术所述的催化剂，具有优异的催化活性以及稳定性，例如，在催化甲苯时，其起始转化温度(T

【技术实现步骤摘要】
一种芳香化合物催化燃烧催化剂及其制备和应用


[0001]本专利技术属于环境催化领域，涉及一种芳香化合物催化燃烧催化剂。

技术介绍

[0002]挥发性有机化合物(VOCs，Volatile Organic Compounds)是主要的大气污染物，主要来源于燃料燃烧、工业制造和溶剂排放，对大气环境和人体健康带来严重危害。芳香化合物，如甲苯，是一种主要的VOCs污染物。作为一种常见的溶剂，甲苯被广泛应用于装饰材料和油漆涂料等化学品制造业。如何将各行业产生的甲苯废气有效转化或去除，具有重要意义。
[0003]常见的空气中甲苯的去除方法有：吸附法、光催化降解法、等离子体降解法、无氧化燃烧法、催化氧化(燃烧)法等。催化氧化法可在较低温度下利用催化剂的催化氧化性将甲苯转化为二氧化碳和水，具有操作简单、能耗低、效率髙、无二次污染、适用范围广等优点，是目前受到世界公认的最有效的方式。
[0004]甲苯催化燃烧的催化剂，主要有三种：一是负载型贵金属催化剂，以Pt、Pd、Au、Ru等贵金属为代表；二是过渡金属氧化物催化剂，常见的有V2O5、MnOx、Co3O4、CeO、CuO、Fe2O3等：三是复合氧化物催化剂，主要是钙钛矿型复合氧化物和尖晶石性复合氧化物。过渡金属氧化物和复合金属氧化物，价格相对便宜，但存在起燃温度高、催化活性低的问题。相对而言，负载型贵金属催化剂具有更好的催化活性、更低的起燃温度和完全转化温度，在催化氧化VOCs领域得到广泛研究。
[0005]用于甲苯催化燃烧的负载型贵金属催化剂，研究的重点是提高催化剂活性。一般来说，催化剂的活性越高，甲苯的起燃温度和完全转化温度越低。目前的研究方向主要有两个。一个是合金化，即通过两种金属间的相互作用，调变活性金属的表面电子性质，提高催化活性；另一个是增大金属的分散度，即通过改变载体类型和优化负载方法，提高金属的分散度，提高催化活性。例如，专利CN101733165A、CN201110064279和CN201610223024.2报道了以堇青石和氧化铝作为载体制备Pd和Pt整体式催化剂，在温度为182-250℃时，对甲苯的转化率达99％。而且，Pd和Pt相比，Pd具有成本低的优点，是工业生产与应用的最佳活性组分之一。CN 109225319以SAPO-34分子筛为载体制备了Pt/SAPO-34分子筛催化剂，140℃-250℃下，甲苯催化燃烧。CN106362736报道了一种低负载量0.05％以下Pd@Pt/Al2O3核壳结构催化剂，使得甲苯在约150℃下起燃，220℃完全转化。CN108906039A报道了一种低负载量的Au@Pt/Al2O3核壳结构催化剂，在210℃将甲苯完全氧化。
[0006]综上，现有的甲苯催化氧化催化剂还存在着起燃温度(T
10
)和完全转化温度(T
90
)温度较高的不足。

技术实现思路

[0007]针对现有芳香化合物催化燃烧催化剂存在催化性能不理想，起燃温度和完全转化温度高的技术不足，本专利技术第一目的在于，提供一种芳香化合物催化燃烧催化剂(本专利技术也
简称为催化剂)，旨在提供一种具有优异催化活性，较低起燃温度和完全转化温度的全新催化剂。
[0008]本专利技术第二目的在于，提供所述的催化剂的制备方法。
[0009]本专利技术第三目的在于，提供所述的催化剂在芳香化合物催化燃烧中的应用。
[0010]一种芳香化合物催化燃烧催化剂，包括具有细胞壁阵列结构的木材基底，细胞壁的骨架表面原位复合有碳膜以及弥散分布的氧化石墨烯包覆的贵金属纳米颗粒。
[0011]本专利技术提供了一种全新结构的催化剂，其创新地利用木材原生的细胞壁结构为担载基底，且在细胞壁的阵列骨架(细胞壁框架)表面原位复合有碳膜以及氧化石墨烯包覆的贵金属纳米颗粒(标记为GO@M)。研究发现，本专利技术所述的催化剂，基于成分以及形貌结构的协同，能够意外地改善其在芳香化合物的催化燃烧过程的催化活性，降低起燃温度和完全转化温度，此外，还具有优异的结构稳定性和催化循环稳定性。
[0012]本专利技术中，所述的木材原生(天然)细胞壁生物质框架结构及其表面的碳膜包覆结构和GO@M均匀弥散分布结构特性是赋予所述催化剂在芳香化合物中优异催化性能的关键。
[0013]本专利技术研究发现，对木材细胞壁框架结构进行调控，有助于进一步和所述的表面原位碳膜和GO@M结构特性协同，有助于进一步改善其在芳香化合物催化燃烧过程中的催化活性。
[0014]作为优选，所述的木材具有40～60μm的纵向直通孔道，5～15μm的横向纹孔。
[0015]优选地，所述的木材为阔叶林木，进一步优选为杨木、杉木、榉木中的至少一种；最优选为杨木。本专利技术意外地发现，采用杨木作为原位生物质框架，配合所述的表面原位碳膜以及GO@M结构特性，有助于进一步改善催化剂的催化活性。
[0016]本专利技术中，控制贵金属的成分，有助于进一步协同改善所述催化剂的催化活性。
[0017]作为优选，所述的贵金属为钯、铂或钯铂合金；优选为钯。本专利技术研究发现，所述的钯有助于进一步和所述的结构协同，进一步改善催化性能。
[0018]所述的贵金属纳米颗粒的粒径为1-5nm。
[0019]本专利技术中，所述的贵金属由氧化石墨烯膜包覆，所述的氧化石墨烯的厚度不高于5nm。
[0020]本专利技术中，所述的碳膜由细胞壁表面原位转化得到，其厚度不高于5nm。
[0021]作为优选，贵金属的负载量为0.01％wt-0.5％wt。
[0022]本专利技术还提供了一种所述的芳香化合物催化燃烧催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0023]步骤(1)：将维持有原有细胞壁阵列结构的木材置于溶解有贵金属源的溶液中；进行浸渍；随后干燥，得到负载有贵金属源的木材；
[0024]步骤(2)：将负载有贵金属源的木材进行还原处理，将贵金属源还原成单质，得到负载有贵金属单质的木材；
[0025]步骤(3)：将负载有贵金属单质的木材在保护气氛、200-350℃的温度下对木材细胞壁骨架进行表面原位碳化，制得所述的催化剂。
[0026]本专利技术研究发现，成功维持木材细胞壁原生生物质框架结构、避免结构坍塌、控制碳膜原位转化程度以及GO@M的原位复合结构是成功构建所述的材料，改善其催化燃烧性能的关键。为此，本专利技术创新地发现，采用木材作为基底，预先在其细胞壁结构中还原形成贵
金属纳米颗粒，随后再在所要求的温度下进行细胞壁表面处理，从而实现细胞壁表面的原位镀碳膜，并避免细胞壁结构不被碳化，不仅如此，还实现所述的贵金属颗粒表面的原位氧化石墨烯包覆。本专利技术研究发现，基于所述的原料、浸渍-还原以及特殊温度下的可控表面处理工艺，可以意外地构建所述全新结构的催化剂，并改善制得的催化剂的催化性能。
[0027]本专利技术中，所述的木材为段状的原生木材。所述的段状结构区别于常规的粉碎原料，旨在从原料的基础上提供木材原生的细胞壁框架结构。
[0028]本专利技术中，所述的木材可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芳香化合物催化燃烧催化剂，其特征在于，包括具有细胞壁阵列结构的木材基底，细胞壁的骨架表面原位复合有碳膜以及弥散分布的氧化石墨烯包覆的贵金属纳米颗粒。2.如权利要求1所述的芳香化合物催化燃烧催化剂，其特征在于，所述的木材具有40～60μm的纵向直通孔道，5～15μm的横向纹孔；优选地，所述的木材为阔叶林木，进一步优选为杨木、杉木、榉木中的至少一种；最优选为杨木。3.如权利要求1所述的芳香化合物催化燃烧催化剂，其特征在于，所述的贵金属为钯、铂或钯铂合金；优选为钯。4.如权利要求1所述的芳香化合物催化燃烧催化剂，其特征在于，贵金属的负载量为0.01％wt-0.5％wt。5.一种权利要求1～4任一项所述的芳香化合物催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：将维持有原有细胞壁阵列结构的木材置于溶解有贵金属源的溶液中；进行浸渍；随后干燥，得到负载有贵金属源的木材；步骤(2)：将负载有贵金属源的木材进行还原处理，将贵金属源还原成单质，得到负载有贵金属单质的木材；步骤(3)：将负载有贵金属单质的木材在保护气氛、200-350℃的温度下对木材细胞壁骨架进行表面原位碳化，制得所述的催化剂。6.如权利要求5所述的芳香化合物催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述的木材为...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永华，杜旭弘，林百宁，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：