一种用于光热催化净化VOCs的Co-MOF衍生物光热催化剂及制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种用于光热催化净化VOCs的Co

【技术实现步骤摘要】
一种用于光热催化净化VOCs的Co
‑
MOF衍生物光热催化剂及制备方法与应用


[0001]本专利技术属于环境功能材料
，具体涉及一种用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂及制备方法与应用。

技术介绍

[0002]挥发性有机化合物(VOCs)是导致大气污染的重要前驱物，能参与大气光化学反应，导致大气环境中臭氧、光化学烟雾、二次气溶胶的形成，严重危害人类健康和社会的可持续发展，因此受到了广泛关注。目前，传统的热催化虽然去除VOCs效率高，但是其主要依靠电能来提供工作温度，能耗巨大。光催化技术是一种利用清洁太阳能驱动降解污染物的技术，但其光能利用率较低，氧化不彻底，这极大的限制其广泛的实际应用。因此，亟须开发一种将热催化的高降解效率和光催化的低能耗完美结合的绿色技术，来实现绿色低能耗的VOCs 治理。
[0003]近年来，新兴的光热催化氧化是一种利用太阳能的存储转化驱动催化反应来高效净化VOCs的技术。它不再受光谱范围的限制，可有效利用全光谱能量，特别对红外光的利用，同时无需二次能源投入即可以获得与热催化相当的高效耐用的催化性能。但是，目前大多数光热催化剂太阳光吸收光谱窄、光热转换效率低，其催化效率与传统的热催化和光催技术相比较仍不理想。因此，开发高活性及高全光谱光吸收能力的光热催化剂，提高光热转换效率，实现VOCs高效降解成为挑战。此外，由于贵金属基催化剂的高成本，人们越来越关注具有成本效益的过渡金属催化剂。过渡金属具有强烈的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，可在太阳光辐照下驱动氧化还原反应。而以 MOFs(金属有机骨架)为前驱体获得的碳基MOFs衍生物多孔材料不仅具有高的气体吸附能力，还具有全光谱吸光能力及增强的化学稳定性而受到关注。
[0004]鉴于此，本专利技术首先通过将以吡啶
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3,5
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二羧酸、硝酸钴和氢氧化钠为原料，通过室温搅拌自组装法制备Co
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MOFs；然后再将Co
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MOFs 在N2惰性气氛下热解得到Co、CoO
x
、N掺杂的C组成的复合材料(命名为Co/CoO
x
/NC)。这种Co/CoO
x
/NC材料具有独特的混合界面结构，使等离子体金属Co、CoO
x
与N原子掺杂的C之间具有强的相互作用，可使其吸光范围拓展到红外区域，因此可有效解决光热催化的目前光热催化剂太阳光吸收光谱窄、光热转换效率低等关键难题。于此同时该材料高分散的Co
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N
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C位点，易于将VOCs分子吸附富集到材料的活性位点，实现高效的吸附
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催化一体化。本专利技术为高效太阳能驱动环境净化催化剂的制备和大气污染控制等领域提供了新的思路。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服光热催化剂太阳光吸收光谱窄、光热转换效率低等问题，提供一种光吸收能力、高活性及结构可控的 Co/CoO
x
/NC光热催化剂的制备方法和应用。所制得的光热催化剂较原始的Co
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MOFs的太阳光吸收能力、光热转换效率、催化活性、催化稳
定性等性能显著提高。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：
[0007]一种用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂的制备方法，其特征在于，将吡啶
‑
3,5
‑
二羧酸、硝酸钴和氢氧化钠放置在有机溶剂中通过室温搅拌、离心洗涤、真空干燥及管式炉中煅烧的方法制备得到Co/CoO
x
/NC光热催化剂；所述光热催化剂具有独特的混合界面结构，在太阳光的照射下，等离子体金属Co、CoO
x
与N原子掺杂的C存在很强的相互作用，可高效吸收全光谱能量并转化成热能，从而诱发光热催化净化VOCs的反应及提高反应速率和催化性能。
[0008]具体制备方法包括以下步骤：
[0009](1)Co
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MOF的制备：
[0010]将45～55mL水与45～55mL有机溶液混合，得到溶液A，室温搅拌5～10min，再将6.5～7.5g硝酸钴加至溶液A，混合搅拌至硝酸钴溶解，得到溶液B；随后，将145～155mL水与145～155mL有机溶液混合，得到溶液C，室温搅拌5～10min，再将0.7～1.7g氢氧化钠加至溶液C，混合搅拌至氢氧化钠溶解，得到溶液D，再将1.9～ 2.9g吡啶
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3,5
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二羧酸加至溶液D，后超声混合均匀得到溶液E；将溶液B转移至溶液E中，室温搅拌10
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14h，得到溶液F，过滤得到粉红色的沉淀物，再将沉淀物用去离子水和乙醇离心洗涤，干燥后得到 Co
‑
MOF；
[0011](2)Co/CoO
x
/NC的制备：
[0012]将步骤(1)制备的Co
‑
MOF于烘箱中干燥，然后将的Co
‑
MOF 放置于管式炉于惰性氛围下以恒定升温速率至400～600℃煅烧3～6h，自然降温到室温，得到Co/CoO
x
/NC光热催化材料。
[0013]进一步地，步骤(1)中，所述有机溶剂为乙腈；
[0014]进一步地，步骤(1)中，所述室温搅拌温度为25～35℃；所述搅拌速率为50～100r/min；所述超声时间为0.5～1h，所述超声温度为 25～35℃；所述超声频率为35～40KHz，所述超声功率520～560W；所述产物离心速率为3500～4500rpm；所述干燥温度为60～80℃，所述干燥时间为4～6h；
[0015]进一步地，步骤(2)中，所述惰性氛围为氮气，所述升温速率为0.5～1.5℃/min，所述降温速率为1～10℃/min。
[0016]一种用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂应用于挥发性有机物降解领域。Co/CoO
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/NC光热催化剂是在全光谱下稳定降解挥发性有机物，无需消耗电能等二次能源供热。
[0017]本专利技术所制备的材料与现有材料存在本质上的区别，本专利技术通过室温搅拌法制得Co
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MOFs，然后在惰性氛围下于管式炉中煅烧得到高太阳光吸收能力的Co/CoO
x
/NC光热催化剂。这种光热催化剂具有独特的混合界面结构，在太阳光的照射下，等离子体金属Co、CoO
x
与N原子掺杂的C存在很强的相互作用，可拓宽材料的光吸收范围，提高光热转换效率，同时Co
‑
N
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C作为VOCs的光热催化氧化反应的靶向活性位点，实现高效、高稳定性的催化性能。
[0018]因此与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0019]本专利技术的Co/CoO
x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂的制备方法，其特征在于，将吡啶
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3,5
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二羧酸、硝酸钴和氢氧化钠放置在有机溶剂中通过室温搅拌、离心洗涤、真空干燥及管式炉中煅烧的方法制备得到Co/CoO
x
/NC光热催化剂；所述光热催化剂可吸收全光谱并转化成热能，从而诱发光热催化净化VOCs的反应。2.根据权利要求1所述用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)Co
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MOF的制备：将水与有机溶剂混合，得到溶液A，室温搅拌，再将硝酸钴加至溶液A，混合搅拌至硝酸钴溶解，得到溶液B；随后，将水与有机溶剂混合，得到溶液C，室温搅拌，再将氢氧化钠加至溶液C，混合搅拌至氢氧化钠溶解，得到溶液D，再将吡啶
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3,5
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二羧酸加至溶液D，后超声混合均匀得到溶液E；将溶液B转移至溶液E中，室温搅拌，得到溶液F，过滤得到粉红色的沉淀物，再将沉淀物用去离子水和乙醇离心洗涤，干燥后得到Co
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MOF；(2)Co/CoO
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/NC的制备：将步骤(1)制备的Co
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MOF于烘箱中干燥，然后将Co
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MOF放置于管式炉于惰性氛围下以恒定升温速率至400～600℃煅烧3～6h，自然降温到室温，得到Co/CoO
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/NC光热催化材料。3.根据权利要求2所述用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机溶剂均为乙腈。4.根据权利要求2所述用于光热催化净化VOCs的Co
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MOF衍生物光热催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，溶液A中，水与有机溶剂的添加量满足：水的添加量为：45～55mL水；有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡芸，曾译葵，钟金平，王煌彬，毛慧阳，叶代启，付名利，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：