一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂及其制备方法和用途。所述非贵金属单原子催化剂包括载体，非贵金属元素以单原子形式分散在载体上，N、P共掺杂并对其进行改性，以使非贵金属元素在载体表面达到单原子分散状态。所述催化剂可以浸渍或气相方式制备得到，制备方法简单，不需要额外添加模板剂、表面活性剂等外加剂，成本低，易于大规模推广。所述催化剂可在室温下将空气中的甲醛蒸汽完全转化为二氧化碳和水，一氧化碳完全转化为二氧化碳，并具有更好的长效稳定性。并具有更好的长效稳定性。并具有更好的长效稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于空气净化领域，涉及一种非贵金属单原子催化剂及其制备方法以及在空气净化领域的用途，尤其涉及一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂及其制备方法以及在室温下对空气中甲醛和/或CO进行净化的用途。

技术介绍

[0002]室内装修采用的板材、胶水等挥发的甲醛是危害人体健康的重要因素。室内甲醛和一氧化碳污染具有浓度低和持续时间长的特点，因此开发低能耗、无二次污染的高效净化技术对于实现低成本空气污染治理极为关键。
[0003]目前，以治理室内甲醛和一氧化碳污染为主要目标的低成本应用技术主要包括在室内喷洒光催化材料或二氧化氯等强氧化剂，以及将活性炭等吸附材料与室内空气循环设施配合使用等。尽管上述措施具有一定的甲醛和一氧化碳去除效果，然而在实际应用中均存在缺陷：光催化材料发挥作用需要有光源驱动作为前置条件，而室内环境的光照强度较弱，且以可见光为主，导致光催化剂效果较差，若外加强光照射将增加能源消耗并可能因为光照导致热量蓄积而诱发火灾；而喷洒二氧化氯等强氧化剂不仅容易导致家具褪色，且净化效果仅持续几天；使用活性炭等吸附剂存在吸附饱和且有二次污染的问题。
[0004]以高效、长寿命的催化剂为核心的催化氧化法具有能耗低、净化效果稳定且不产生二次污染的特点，相比于上述方法具有突出的长期应用价值。用于甲醛和一氧化碳降解的催化材料产品，其技术门槛在于获得低成本、长使用寿命的催化剂。
[0005]现有报道的高性能催化剂均以铂族贵金属为主要活性成分，如Pt、Pd和Rh等，催化剂可以在室温下实现对甲醛和一氧化碳的高效去除，且稳定性在数百小时以上。如中国专利ZL200710121423.9公开了一种使用碱金属修饰的贵金属催化剂，可以实现在室温下长寿命催化净化甲醛。类似已公开的贵金属催化剂专利还有中国专利ZL200410047973.7、ZL201510086021.4、CN201911137713.1等。贵金属(Pt、Pd和Rh等)虽然具有较好的催化活性和选择性，但贵金属价格昂贵、储量稀少和易毒化等特点限制了其大规模应用。
[0006]以非贵金属为主要活性组分的催化剂具有价格低廉、原料简便易得的优点，但是目前报道的非贵金属催化剂性能与贵金属催化剂相比仍显落后。如中国专利ZL201510359133.2报道的氧化锰催化剂需要在80摄氏度才能实现完全转化，类似的报道还有ZL201711418264.9等。因此，有必要从分子层面对对非贵金属催化剂活性中心进行再设计，进一步提升其催化效果。
[0007]单原子催化剂是一类将活性金属组分以单个或2-3个原子组成的团簇为活性位点的催化剂体系。由于其独特的高度分散性导致的电子结构等因素的变化，催化效果有大幅提升。但是现有将单原子催化剂用于甲醛净化的技术存在催化剂制备过程复杂、原料利用率低和长效稳定性较差等问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂及其制备方法，以及其在空气净化中的用途。本专利技术所述N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂制备方法简单、原料易得，且具有优异的甲醛和/或CO催化净化性能，并且具有良好的长效稳定性，可与净化设备结合使用。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂，其特征在于，所述非贵金属单原子催化剂包括载体，非贵金属元素以单原子形式分散在载体上，非贵金属单原子的负载量为0.1wt％～5wt％；N元素、P元素均与载体键合并与非贵金属单原子键合，N元素的负载量为1wt％～5wt％，P元素的负载量为1wt％～5wt％。
[0011]作为本专利技术优选的方案，所述载体为比表面积＞100m3/g的碳材料，优选为活性炭。
[0012]优选地，所述活性炭包括椰壳炭、木质炭或果壳碳中任意一种或至少两种的组合。
[0013]优选地，所述非贵金属单原子包括Co和/或Fe。
[0014]优选地，所述非贵金属元素的负载量为0.1wt％～2wt％。
[0015]第二方面，本专利技术提供了所述的非贵金属单原子催化剂的制备方法，所述制备方法包括：
[0016]方法一：将含有N元素的有机溶液A、含有P元素的有机溶液B与负载非贵金属单原子的载体混合并干燥后，在惰性气氛下进行焙烧，制得N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂；
[0017]或，
[0018]方法二：将负载非贵金属单原子的载体在含有氨气和磷化氢的混合气体存在条件下进行焙烧制备得到N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂。
[0019]作为本专利技术优选的方案，方法一中所述含有N元素的有机溶液A是通过将含有N元素的有机物溶于有机溶剂制备得到。
[0020]优选地，所述含有N元素的有机物包括吡啶及其衍生物、吡咯及其衍生物或有机胺中任意一种或至少两种的组合。
[0021]优选地，所述吡啶及其衍生物包括甲基吡啶、乙基吡啶或苯并吡啶中任意一种或至少两种的组合。
[0022]优选地，所述吡咯及其衍生物包括甲基吡咯和/或乙基吡咯。
[0023]优选地，所述有机胺包括对苯二胺、乙二胺或苯胺中任意一种或至少两种的组合。
[0024]优选地，所述有机溶剂包括乙醇和/或丙酮。
[0025]优选地，所述有机溶液A的浓度为0.01g/mL～1g/mL。
[0026]作为本专利技术优选的方案，方法一中所述含有P元素的有机溶液B是通过将含有P元素的有机物溶于有机溶剂制备得到。
[0027]优选地，所述含有P元素的有机物包括三苯基膦和/或三甲基膦。
[0028]优选地，所述有机溶剂包括乙醇和/或丙酮。
[0029]优选地，所述有机溶液B的浓度为0.01g/mL～1g/mL。
[0030]作为本专利技术优选的方案，方法一中所述有机溶液A中N元素为负载非贵金属单原子
的载体的质量的1wt％-5wt％，所述有机溶液B中P元素为负载非贵金属单原子的载体的质量的1wt％-5wt％。
[0031]优选地，方法一中所述干燥温度为60～100℃。
[0032]优选地，方法一中所述干燥为蒸发干燥。
[0033]优选地，方法一中所述惰性气氛包括氮气、氦气或氩气中任意一种或至少两种的组合。
[0034]优选地，方法一中所述焙烧温度为400℃～900℃，优选为550℃～650℃。
[0035]优选地，方法一中所述焙烧时间为0.5h～10h，优选为1h～2h。
[0036]作为本专利技术优选的方案，方法二中所述含有氨气和磷化氢的气体为氨气、磷化氢和惰性气体组成的混合气体。
[0037]优选地，所述含有氨气和磷化氢的混合气体中氨气的体积浓度为1％～20％，优选为5％～10％；
[0038]优选地，所述含有氨气和磷化氢的混合气体中磷化氢的体积浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂，其特征在于，所述非贵金属单原子催化剂包括载体，非贵金属元素以单原子形式分散在载体上，非贵金属单原子的负载量为0.1wt％～5wt％；N元素、P元素均与载体键合并与非贵金属单原子键合，N元素的负载量为1wt％～5wt％，P元素的负载量为1wt％～5wt％。2.根据权利要求1所述的非贵金属单原子催化剂，其特征在于，所述载体为比表面积＞100m3/g的碳材料，优选为活性炭；优选地，所述活性炭包括椰壳炭、木质炭或果壳碳中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述非贵金属单原子包括Co和/或Fe；优选地，所述非贵金属元素的负载量为0.1wt％～2wt％。3.一种权利要求1或2所述的非贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：方法一：将含有N元素的有机溶液A、含有P元素的有机溶液B与负载非贵金属单原子的载体混合并干燥后，在惰性气氛下进行焙烧，制得N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂；或，方法二：将负载非贵金属单原子的载体在含有氨气和磷化氢的混合气体存在条件下进行焙烧得到N、P共掺杂改性的非贵金属单原子催化剂。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，方法一中所述含有N元素的有机溶液A是通过将含有N元素的有机物溶于有机溶剂制备得到；优选地，所述含有N元素的有机物包括吡啶及其衍生物、吡咯及其衍生物或有机胺中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述吡啶及其衍生物包括吡啶、甲基吡啶、乙基吡啶或苯并吡啶中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述吡咯及其衍生物包括吡咯、甲基吡咯或乙基吡咯中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述有机胺包括对苯二胺、乙二胺或苯胺中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述有机溶剂包括乙醇和/或丙酮；优选地，所述有机溶液A的浓度为0.01g/mL～1g/mL。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，方法一中所述含有P元素的有机溶液B是通过将含有P元素的有机物溶于有机溶剂制备得到；优选地，所述含有P元素的有机物包括三苯基膦和/或三甲基膦；优选地，所述有机溶剂包括乙醇和/或丙酮；优选地，所述有机溶液B的浓度为0.01g/mL～1g/mL。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，方法一中所述有机溶液A中N元素为负载非贵金属单原子的载体的质量的1wt％-5wt％，所述有机溶液B中P元素为负载非贵金属单原子的载体的质量的1wt％-5wt％；优选地，方法一中所述干燥温度为60～100℃；优选地，方法一中所述干燥为蒸发干燥；优选地，方法一中所述惰性气氛包括氮气、氦气或氩气中任意一种或至少两种的组合；
优选地，方法一中所述焙烧温度为400℃～900℃，优选为550℃～650℃；优选地，方法一中所述焙烧时间为0.5h～10h，优选为1h～2h。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，方法二中所述含有氨气和磷化氢的混合气体为氨气、磷化氢和惰性气体组成的混合气体；优选地，所述含有氨气和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张心刚，孙哲，尤万里，蒋宇洪，
申请(专利权)人：湖州远湖环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：