一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂及其合成方法技术

本发明专利技术属于大气污染治理技术领域，具体公开了一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂及其合成方法。本发明专利技术首先通过酵母培养洗涤、细胞固定、水热反应、空气预碳化、氮气煅烧以及氢氧化钾造孔活化，制得酵母衍生碳壳；再以酵母衍生碳壳为基体，硝酸镧和硝酸钴为催化剂原料进行混合；接着利用氨沉淀法完成酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂的合成。本发明专利技术的合成方法具有工艺简单、操作简便、催化剂负载量高的优点，实现了吸附和催化的耦合，改善催化剂比表面积的同时提升了催化剂的氧交换能力和催化活性，而且防止了催化剂在其用于催化的过程中的聚结和烧结，有效提升钙钛矿催化剂的催化性能和效率。能和效率。能和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂及其合成方法


[0001]本专利技术属于大气污染治理
，具体涉及一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂及其合成方法。

技术介绍

[0002]VOCs(挥发性有机物)是在常温下，沸点50℃至260℃的各种有机化合物，VOCs种类众多，按化学结构，可分为烷烃、烯烃、炔烃、苯系物、醇类、醛类、醚类、酮类、酸类、酯类、卤代烃及其他。VOCs参与大气环境中臭氧和二次气溶胶的形成，其对人类的健康和生存环境具有极大的危害，大多数VOCs具有刺激性气味或臭味，易引起感官上的不适，严重降低生活质量。
[0003]减少和消除空气中存在的挥发性有机化合物(VOCs)仍然是环境催化领域的挑战之一。目前已经设计了多种催化系统来解决这个问题，包括混合金属氧化物系统和负载贵金属或非贵金属系统。其中，钙钛矿型复合氧化物是指稀土与过渡金属氧化物在一定条件下形成的具有天然钙钛矿型的复合氧化物，通式为ABO3，—般A为四面体型结构，B为八面体型结构，A和B形成交替立体结构，易于取代而产生晶格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，从而实现深度氧化反应。钙钛矿型催化剂在许多有机分子的氧化中具有高热稳定性和较强的催化活性，因此常被用作净化VOCs的催化剂。
[0004]然而，ABO3钙钛矿型催化剂具有明显缺点，就是比表面积小，通常低于10m2/g，对其应用造成限制。这个问题可以通过将钙钛矿催化剂支撑在具有发达表面积的多孔载体上来解决，但是目前的负载型钙钛矿催化剂工艺大多比较复杂，如专利CN107930626B公开的一种VOCs废气处理催化剂及其制备方法，所述催化剂以多孔金属作为载体，载体上涂覆有涂料；所述涂料包括催化活性组分、第二载体、第二载体改性剂，所述催化活性组分为Pt复配LaMnO3钙钛矿型复合氧化物，所述第二载体为γ
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Al2O3粉末，所述第二载体改性剂为以过渡金属元素中的一种或多种制成的固溶体氧化物；该催化剂的制备需要经历多步煅烧，并涉及切割、涂敷、改性等操作，工艺十分复杂，操作不便，成本高。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术的目的之一是提供一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂的合成方法，具有工艺简单、操作简便、催化剂负载量高的优点。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0007]一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂的合成方法，包括下步骤：
[0008]S1.取酵母进行培养，培养结束用丙酮和乙醇先后洗涤，以去除酵母细胞内部物质和整体杂质，然后烘干；
[0009]S2.在烘干的酵母中加入戊二醛溶液，并进行搅拌，以固定酵母细胞；
[0010]S3.在160～200℃下进行水热反应使酵母表面部分碳化，反应结束后，干燥过夜；S4.将水热产物在空气氛围中，250～350℃下进行预碳化；然后在氮气氛围中，750～850℃
下进行煅烧；预碳化能够让酵母有好的分散度，避免直接煅烧可能带来的粘连结块问题；
[0011]S5.在煅烧产物中加入氢氧化钾溶液进行活化，然后用盐酸清洗，干燥后得到酵母衍生碳壳；
[0012]S6.称取催化剂原料硝酸镧和硝酸钴，先用水溶解，接着加入酵母衍生碳壳，搅拌混匀；
[0013]S7.滴加氨水调节混合溶液的pH至碱性，然后停止搅拌，恒温陈化；
[0014]S8.陈化后的沉淀用去离子水清洗，然后烘干，得到酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂。
[0015]首先，针对目前钙钛矿型催化剂比表面积小的缺点，本专利技术选择了活性炭作为载体：一方面，有效提升催化剂的比表面积，分散催化剂功能原子并降低其颗粒团聚，为催化反应提供更多活性位点；另一方面，强化催化剂的催化反应效率，可以起到助催化作用，将催化剂负载后，可有效促进催化剂中活性氧的迁移转化，提高催化剂催化氧化VOCs的能力。并且，活性炭相较于其他载体(如石墨烯、碳纳米管、碳化氮、共熔体、钙钛矿、二氧化硅等)展现了明显优势：活性炭具有易于接近的活性位点，在催化降解VOCs过程中表现出显著的活性；同时，活性炭表面容纳了各种类型的氧官能团，包括酚羟基、羧基、内酯和羰基，它们可以作为吸附的活性位点，涉及的相互作用包括π
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π络合、静电相互作用和电子供体
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受体相互作用等。
[0016]然后，本专利技术使用的不是常规的化学合成的活性炭，而是由酵母制备的生物活性炭。具体的，本专利技术通过酵母培养洗涤、细胞固定、水热反应、空气预碳化、氮气煅烧以及氢氧化钾造孔活化，制得酵母衍生碳壳。获得的酵母衍生碳壳呈球或者椭球状结构，内部中空，表面孔隙丰富，比表面积大，有利于钙钛矿催化剂的负载，且具有氮磷等杂原子掺杂，为复合型催化剂提供了优质的基体。相较于常规活性炭，本专利技术酵母衍生碳壳孔隙率高，能有效促进气质传输，而且可以原位吸附固定金属离子，有效降低团聚，在负载量和负载分布上都有明显优势，具备更好的催化性能。
[0017]最后，本专利技术选择硝酸镧、硝酸钴为钙钛矿催化剂原料，最终在酵母衍生碳壳表面成功负载LaCoO3钙钛矿催化剂，催化剂将酵母衍生碳壳包裹，均匀地分布在其表面，负载效果极佳。由此，本专利技术实现了吸附和催化的耦合，改善催化剂比表面积的同时提升了催化剂的氧交换能力和催化活性，而且防止了催化剂在其用于催化的过程中的迁移、聚结和烧结，有效提升催化剂的催化性能和效率，相比纯钙钛矿催化剂具有显著创造性。此外，与现有的负载型钙钛矿型催化剂相比，本专利技术工艺更加简便，操作更加简单，能够有效提高生产效率，降低催化剂成本。
[0018]优选的，步骤S1中，烘干温度为60℃，烘干时间为8～12h。
[0019]优选的，步骤S2中，搅拌方式为磁力搅拌，搅拌时间为24～36h，转速为150r/min，确保酵母的固定效果。
[0020]优选的，步骤S3中，水热温度为180℃，水热时间为10～12h；步骤S4中，水热产物在300℃预碳化1.5～2.5h，在800℃煅烧2.5～3.5h。
[0021]优选的，步骤S6中，所述硝酸镧、硝酸钴的质量比为1:1。若低于该质量比，酵母吸附金属离子量较少，不利于后续化学沉淀，若高于该质量比，形成产物的表面容易出现纳米粒子堆叠的情况，影响催化效果。
[0022]优选的，步骤S6中，所述催化剂原料的溶解用水为去离子水。若使用含有其他杂离子的水，容易导致产物纯度降低，甚至影响产品合成物相。
[0023]优选的，步骤S6中，搅拌方式为磁力搅拌，搅拌时间为20～30min，期间控制加热温度为40～50℃。
[0024]优选的，步骤S7中，滴加氨水将pH调至11～12，以保证金属离子负载于衍生碳壳表面，并彻底沉淀。若pH调节偏低，会导致金属离子沉淀不彻底，并影响产物相貌，若pH调节偏高，可能导致负载量偏大，催化剂粒子堆叠而使利用率和吸附效果变差。
[0025]优选的，步骤S7中，陈化时间为24～36h，陈化温度为常温。如时间低于优选范围，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂的合成方法，其特征在于：包括下步骤：S1.取酵母进行培养，培养结束用丙酮和乙醇先后洗涤，然后烘干；S2.在烘干物中加入戊二醛溶液，并进行搅拌；S3.在160～200℃下进行水热反应，反应结束后，干燥过夜；S4.将水热产物在空气氛围中，250～350℃下进行预碳化；然后在氮气氛围中，750～850℃下进行煅烧；S5.在煅烧产物中加入氢氧化钾溶液进行活化，然后用盐酸清洗，干燥后得到酵母衍生碳壳；S6.称取催化剂原料硝酸镧和硝酸钴，先用水溶解，接着加入酵母衍生碳壳，搅拌混匀；S7.滴加氨水调节混合溶液的pH至碱性，然后停止搅拌，恒温陈化；S8.陈化后的沉淀用去离子水清洗，然后烘干，得到酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂。2.根据权利要求1所述的酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂的合成方法，其特征在于：步骤S1中，烘干温度为60℃，烘干时间为8～12h。3.根据权利要求1所述的酵母衍生碳壳负载型钙钛矿催化剂的合成方法，其特征在于：步骤S2中，搅拌方式为磁力搅拌，搅拌时间为24～36h，转速为150r/min。4.根据权利要求1所述的酵母衍生...

【专利技术属性】
技术研发人员：马杰，袁建华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：