一种金属氧化物材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种金属氧化物材料及其制备方法与应用，所述金属氧化物材料包括锰氧化物，所述锰氧化物呈由棒状和/或片状组成的中空多孔微球状或类微球状该材料光热催化VOCs的性能好、矿化率高、耗能低、稳定性好，可以在全光谱的光照条件下对气体中大多数VOCs有极好的光驱动催化氧化性能。该材料整体呈三维中空球体结构，由棒状/或片状纳米材料组装而成，孔径较大，具有良好的接触面积，表面缺陷丰富；使得其具有优良的光热反应活性，相较于常规非贵金属催化剂具有更高的催化效率。贵金属催化剂具有更高的催化效率。贵金属催化剂具有更高的催化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种金属氧化物材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及催化
，具体涉及一种金属氧化物材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]挥发性有机物(VOCs)是指在常温下，沸点50～260℃的各种有机化合物，能够参与大气环境中臭氧、光化学烟雾和二次气凝胶的形成，作为PM2.5和O3形成的关键前体物之一，其有效控制、减排对于改善空气质量起着重要作用。VOCs的末端治理技术主要包括吸收、吸附、冷凝、膜分离、热催化、等离子体、光热催化和生物降解等技术。其中，催化氧化法能够在催化剂的参与下，将VOCs污染物在较低温度下较彻底转化为无毒的CO2和H2O，被认为是最有效的VOCs消除方法之一。为解决传统VOCs热催化所需外部热能供给及去除效率低等问题，以VOCs治理能效为出发点，结合传统光热催化和热催化特性，国内外一些课题组提出VOCs 光热催化治理技术，研发高效光热催化材料，利用太阳能储存转化驱动反应，实现低能耗的 VOCs治理。光热催化反应的决定性因素仍是其催化剂，光热催化剂的性能主要由三因素决定，价带(VB)，导带(CB)和禁带宽度(E
g
)。禁带宽度越小，电子跃迁所需能量越小，反应越容易进行。
[0003]理想光热催化剂应满足三个重要的设计标准以获得优异的催化性能:(1)具备在整个太阳光谱范围的强烈光吸收的能力，(2)具备高效的光热转换能力和(3)具备卓越的催化活性和稳定性。目前，热门的光热催化剂大体上可分为贵金属催化剂和金属氧化物催化剂，以往热催化所使用的非贵金属催化剂主要包括Mn、Ce、Fe、Co、Cu、Ni等金属氧化物，价格低廉，但往往遇到催化活性较低，起燃温度高、运行能耗高等问题。贵金属催化剂虽然活性高，且起燃温度低，有利于降低设备运行能耗和费用，但也有价格昂贵，易与含硫含氯化合物作用而导致催化剂失效，高温反应易烧结引起材料活性降低等缺点。相比于昂贵的贵金属催化剂，金属氧化物仍由于其廉价易得，稳定，结构易于调控改性受到诸多研究学者和工业应用的青睐。同时金属氧化物的多组分杂化纳米材料摆脱了单一纳米材料的劣势，可以依赖组分调变和不同的杂化类型设计以及缺陷位点、异质结构的引入拓展应用领域；利用不同组分和位点的互补和协同作用提高催化剂活性和选择性。对于多价态、多组分纳米材料的广泛研究使得金属氧化物为基础的催化剂炙手可热。作为一个新兴的研究领域，过渡金属材料的光热催化方面仍然有许多科学技术问题需要解决：一是如何有效地将俘获的太阳光子能量转化为热能，实现全光谱太阳光有序高效转化；二是如何利用有效的调控策略设计制备功能化光热催化剂并提高光热催化降解VOCs性能。
[0004]基于此，开发新的具有较高光热催化活性的非贵金属用于光热催化去除VOCs具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种金属氧化物材料，该材料具有较高的光热催化活性，能够有效催化VOCs的降解。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提出了一种金属氧化物材料，所述金属氧化物材料包括锰氧化物，所述锰氧化物呈由棒状和/或片状组成的中空多孔微球状或类微球状。
[0007]根据本专利技术的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：该材料光热催化VOCs的性能好、矿化率高、耗能低、稳定性好，可以在全光谱的光照条件下对气体中大多数VOCs有极好的光驱动催化氧化性能。该材料整体呈三维中空球体结构，由棒状/或片状纳米材料组装而成，孔径较大，具有良好的接触面积，表面缺陷丰富；使得其具有优良的光热反应活性，相较于常规非贵金属催化剂具有更高的催化效率。
[0008]在本专利技术的一些实施方式中，所述锰氧化物为三氧化二锰。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中，所述锰氧化物的平均粒径在1～5um之间。
[0010]根据本专利技术的另一个方面，提出了上述金属氧化物材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011]S1、Mn
‑
MOFs前体物的制备：取锰盐和聚乙烯吡咯烷酮的分散系I及含有机配体的分散系II，混合，静置；
[0012]S2、煅烧：将步骤S1静置后的分散系固液分离，收集固相部分，煅烧，即得。
[0013]根据本专利技术的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：利用Mn
‑
MOFs (metal
‑
organic frameworks，MOFs)作为前驱物、牺牲模板经煅烧直接制备特殊构造多孔 MnO
x
(x>0)催化剂对VOCs的热催化反应活性优于共沉淀法合成的金属氧化物，高活性归因于其独特的结构、优异的低温氧化
‑
还原能力、丰富的活性氧物种和氧空位表面活性氧。基于此，MOFs具有组成和结构丰富、孔结构多样和孔隙率高等特点，其作为前驱体或牺牲模板可为合成结构和成分可调的多孔或中空结构的纳米结构材料提供新的机会，省略了额外的模板或繁琐的过程，且其衍生材料比常规方法制备的催化剂活性更好，在多相催化领域具有巨大的发展潜力。目前，还有没有该类材料在光热催化降解VOCs的应用。本专利技术方案可为探究光热催化领域的VOCs处理方面应用提供一定支持，同时本专利技术方案的金属氧化物材料制备条件温和，催化效率高，操作方便，成本低廉，便于工业大规模生产。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述锰盐包括氯化锰、硝酸锰、硫酸锰或醋酸锰中的至少一种。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述锰盐与有机配体摩尔比在1：1以上。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，所述锰盐与有机配体摩尔比为1～2.5：1。按此比例添加，材料的球体更均匀，产品、产量及催化性能均更为优良。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，所述聚乙烯吡咯烷酮与有机配体的质量比例为 0.5～10:0.6～0.9。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤S1中的混合操作具体为将分散系II加入到分散系I中。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，所述加入采用滴加。
[0020]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述滴加的速度为1～3ml/min。
[0021]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述滴加的时间为0.5～3h。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，所述分散系I中还含有溶剂I，所述溶剂I为含有机溶剂I 与水的混合溶剂I。
[0023]在本专利技术的一些实施方式中，所述水为超纯水，电阻抗大于18Ω。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，所述有机溶剂I为醇类有机溶剂I；优选为短链醇类有机溶剂，所述短链是指碳原子数在4以下；更优选地，所述有机溶剂为乙醇。
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，所述醇类有机溶剂I在混合溶剂I中的体积占比为50～80％。
[0026]在本专利技术的一些实施方式中，所述分散系II中还含有溶剂II，所述溶剂II为含有机溶剂II与水的混合溶剂II。
[0027]在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物材料，其特征在于：所述金属氧化物材料包括锰氧化物，所述锰氧化物呈由棒状和/或片状组成的中空多孔微球状或类微球状；优选地，所述锰氧化物的平均粒径在1～5um之间；优选地，所述锰氧化物为三氧化二锰。2.一种金属氧化物材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、Mn
‑
MOFs前体物的制备：取锰盐和聚乙烯吡咯烷酮的分散系I及含有机配体的分散系II，混合，静置；S2、煅烧：将步骤S1静置后的分散系固液分离，收集固相部分，煅烧，即得。3.根据权利要求2所述的金属氧化物材料的制备方法，其特征在于：所述锰盐包括氯化锰、硝酸锰、硫酸锰或醋酸锰中的至少一种；优选地，所述锰盐与有机配体摩尔比在1：1以上；优选地，所述锰盐与有机配体摩尔比为1～2.5：1；优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮与有机配体的质量比例为0.5～10:0.6～0.9。4.根据权利要求2所述的金属氧化物材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的混合操作具体为将分散系II加入到分散系I中；优选地，所述加入采用滴加；优选地，所述滴加的速度为1～3ml/min；优选地，所述滴加的时间为0.5～3h；优选地，所述分散系I中还含有溶剂I，所述溶剂I为含有机溶剂I与水的混合溶剂I；优选地，所述水为超纯水，电阻抗大于18Ω；优选地，所述有机溶剂I为醇类有机溶剂I；优选为短链醇类有机溶剂，所述短链是指碳原子数在4以下；更优选地，所述有机溶剂为乙醇；优选地，所述醇类有机溶剂I在混合溶剂I中的体积占比为50～80％。5.根据权利要求2所述的金属氧化物材料的制备方法，其特征在于：所述分散系II中还含有溶剂II，所述溶剂II为含有机溶剂II与水的混合溶剂II；优选地，所述有机溶剂II为醇类有机溶剂II；优选为短链醇类有机溶剂，所述短链是指碳原子数在4以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫胜鹏，李俊，解庆林，丁学刚，黄丽丽，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：