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CN107469821B - 一种载Ag锰氧化物催化剂的制备方法与应用 - Google Patents

一种载Ag锰氧化物催化剂的制备方法与应用 Download PDF

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CN107469821B CN201710686051.8A CN201710686051A CN107469821B CN 107469821 B CN107469821 B CN 107469821B CN 201710686051 A CN201710686051 A CN 201710686051A CN 107469821 B CN107469821 B CN 107469821B
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Abstract

本发明属于催化剂制备领域，具体涉及一种载Ag锰氧化物催化剂的制备方法与应用，尤其涉及该催化剂对挥发性有机污染物(如甲醛等)进行催化降解的应用。本发明的催化剂在低于一个太阳光光强下就能将甲醛完全氧化成无害的水和二氧化碳，适合于实际应用。本发明合成方法简单，催化能力显著，为大气污染治理提供一条新途径。

Description

一种载Ag锰氧化物催化剂的制备方法与应用
技术领域
本发明属于催化剂制备领域，具体涉及一种载Ag锰氧化物催化剂的制备方法与应用，尤其涉及该催化剂对挥发性有机污染物(如甲醛等)进行催化降解的应用。
背景技术
随着人类社会、经济的不断发展进步，人们赖以生存环境也遭受着巨大的破坏与污染，出现了大气污染、水体污染、土壤污染等。这些环境问题对人类生活构成极大危害。挥发性有机污染物(VOCs)作为一类典型的大气污染物，不仅会直接对人体产生毒害作用，如造成致癌、致畸、致突变等伤害，而且还会通过光化学反应途径生成光化学烟雾，形成二次污染，对环境和人体都造成危害。因此，VOCs的治理已成为污染治理中的一项重点工作。其中，甲醛作为一种常见的VOCs污染物，广泛存在于人们的生产生活当中，对人们身体健康产生巨大危害。研究表明，若长期暴露在甲醛浓度高的环境中，人们得白血病的患病几率会大幅度提高。因此，消除降解甲醛迫在眉睫。
目前，去除甲醛污染物的方法主要包括：吸附法、等离子体技术、热催化氧化法、光催化氧化法等。其中，吸附法存在吸附饱和后吸附剂失活，需要重新更换或再生等问题；等离子体技术在降解甲醛过程中会产生臭氧、一氧化碳等有毒副产物；不含贵金属的热催化氧化一般都需要在一定温度下才能将甲醛完全降解，这个过程需要额外提供热能；低温或室温下将甲醛完全降解的热催化氧化一般使用了掺杂Pt、Pd等贵金属催化剂，价格昂贵；光催化氧化主要利用TiO2为主体的光催化剂，但是由于TiO2只对紫外光有响应，而紫外光在整个太阳光能量中只占到了5％左右，因此并不能有效利用太阳光催化降解甲醛。
此外，作为热催化剂的载Ag锰氧化物催化剂制备过程反应周期较长、反应温度高，并且在催化过程中需要提供额外的热能。此种催化剂作为热催化剂催化甲醛降解时并不绿色经济。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种载Ag锰氧化物催化剂的制备方法与应用。本发明的催化剂应用于太阳光催化降解挥发性有机污染物(如甲醛)的反应中，可在不高于一个太阳光光强(100mW cm-2)下实现挥发性有机污染物(如甲醛)的快速、高效降解，最优可达完全降解。
本发明的技术方案如下：
一种载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的制备方法，包括如下合成步骤：
(1)制备金属Ag纳米粒子；
(2)制备高锰酸钾的酸性溶液，将制备的溶液与步骤(1)制备的金属Ag纳米粒子混合；
(3)向步骤(2)得到的混合液中加入过氧化氢水溶液进行反应；
(4)将步骤(3)反应得到的产物进行焙烧得到载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx。
根据本发明，步骤1)制备金属Ag纳米粒子的方法可以为化学还原法、光还原法、电化学法、激光烧蚀法、微乳法或辐射法等，优选为化学还原法，例如使用PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、乙二醇及硝酸银合成金属Ag纳米粒子。
根据本发明，步骤2)中，
所述酸性溶液优选为无机酸的水溶液，例如如下一种或多种酸的水溶液：硝酸、硫酸、盐酸、磷酸等；
所述酸性溶液物质的量浓度为0.05-0.20mol/L；
所述高锰酸钾的质量与酸性溶液的体积比(g:mL)为1:(30-80)，优选为1:50。
所述金属Ag纳米粒子与高锰酸钾的摩尔比为(0.5～6):100，优选为5:100。
根据本发明，步骤3)中，
所述过氧化氢水溶液的质量分数为1.5-2.0％，优选为1.8％；
所述过氧化氢溶液的体积与步骤2)使用的高锰酸钾的质量(mL:g)比为(30-80):1，优选50:1。
根据本发明，步骤4)中，
所述焙烧的温度为300-700℃，优选为400-600℃，例如为500℃；
所述焙烧的时间可以为0.5-4.5小时，例如为2小时；
所述焙烧优选在惰性气氛中进行，例如在氮气氛围中进行。
本发明还提供载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的用途，为在太阳光的作用下用于催化挥发性有机污染物的降解，具体地为在太阳光的作用下催化氧化甲醛降解；
所述太阳光光强优选不低于65mW cm-2，例如为70、80、90或100mW cm-2。
根据本发明，所述载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx中，金属Ag纳米粒子与锰元素的摩尔比为(0.5～6):100，优选为5:100。
根据本发明，所述载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx通过上述的方法制备得到。
本发明的有益效果：
1)本发明所采用的制备方法简单，原料成本较低。使用本发明的方法制备出载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx催化活性高，能够利用绿色能源太阳光实现对挥发性有机污染物(如甲醛)的快速、高效降解，以甲醛为例，其分解得到的产物为水和二氧化碳，具有潜在的应用价值，为大气污染治理提供一条新途径。
2)本发明采用简单快速的方法合成了载Ag锰氧化物催化剂，将预合成的银纳米颗粒溶液直接加入到锰氧化物的前驱体溶液中，常温条件下短时间内合成催化剂，解决了常规的合成方法中反应周期长、反应温度高等问题，同时预合成的银纳米颗粒保证了催化剂中存在着催化活性物种单质银纳米颗粒，制备目标明确。
3)本发明首次发现，热催化氧化催化剂Ag-MnOx在光照的条件下，可以快速有效地将太阳光能转化为热能、从而显著提高该催化剂催化降解挥发性有机污染物(如甲醛)的速率和效率。相对于光催化剂及热催化剂，本发明Ag-MnOx的催化效果更好，可在低的太阳光光强照射下及较短的时间内有效地实现对挥发性有机污染物(如甲醛)的降解。
附图说明
图1是本发明实施例1-6及对比例1所制备的催化剂在太阳光光强为100mW cm-2时甲醛的转化率随时间变化图；
图2是本发明实施例1、2、4、5、6所制备的催化剂在太阳光光强为90mW cm-2时甲醛的转化率随时间变化图；
图3是本发明实施例1、2、4、5、6所制备的催化剂在太阳光光强为80mW cm-2时甲醛的转化率随时间变化图；
图4是本发明实施例2、5、6所制备的催化剂在太阳光光强为70mW cm-2时甲醛的转化率随时间变化图；
图5是本发明实施例2、5、6所制备的催化剂在太阳光光强为65mW cm-2时甲醛的转化率随时间变化图；
图6是本发明实施例1-6及对比例1所制备的催化剂在太阳光光强100mW cm-2下降解甲醛时催化剂表面温度随时间变化图，从图中可看出，本发明所制备的催化剂能快速有效地将太阳光能转化为热能；
图7是本发明实施例5所制备的催化剂的扫描电镜图；
图8是本发明实施例5所制备的催化剂的透射电镜图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明催化剂的制备方法和应用做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1：
(1)将0.10g PVP溶解于5mL乙二醇与5mL去离子水中，再向其中加入0.323mL硝酸银溶液(100g/L)，磁力搅拌15min后将溶液转移到水热釜中，烘箱160℃反应3h后得到含有金属Ag纳米粒子的浊液1；
(2)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(3)在室温搅拌状态下，将浊液1完全转移到溶液1中，形成浊液2；
(4)向浊液2中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(5)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(6)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，即可得到Ag/Mn摩尔比为0.5:100的载Ag锰氧化物催化剂，记为0.5Ag100Mn催化剂。
实施例2：
(1)将0.10g PVP溶解于5mL乙二醇与5mL去离子水中，再向其中加入0.645mL硝酸银溶液(100g/L)，磁力搅拌15min后将溶液转移到水热釜中，烘箱160℃反应3h后得到含有金属Ag纳米粒子的浊液1；
(2)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(3)在室温搅拌状态下，将浊液1完全转移到溶液1中，形成浊液2；
(4)向浊液2中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(5)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(6)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，即可得到Ag/Mn摩尔比为1:100的载Ag锰氧化物催化剂，记为1Ag100Mn催化剂。
实施例3：
(1)将0.10g PVP溶解于5mL乙二醇与5mL去离子水中，再向其中加入0.968mL硝酸银溶液(100g/L)，磁力搅拌15min后将溶液转移到水热釜中，烘箱160℃反应3h后得到含有金属Ag纳米粒子的浊液1；
(2)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(3)在室温搅拌状态下，将浊液1完全转移到溶液1中，形成浊液2；
(4)向浊液2中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(5)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(6)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，即可得到Ag/Mn摩尔比为1.5:100的载Ag锰氧化物催化剂，记为1.5Ag100Mn催化剂。
实施例4：
(1)将0.15g PVP溶解于7.5mL乙二醇与5mL去离子水中，再向其中加入2.580mL硝酸银溶液(100g/L)，磁力搅拌15min后将溶液转移到水热釜中，烘箱160℃反应3h后得到含有金属Ag纳米粒子的浊液1；
(2)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(3)在室温搅拌状态下，将浊液1完全转移到溶液1中，形成浊液2；
(4)向浊液2中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(5)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(6)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，即可得到Ag/Mn摩尔比为4:100的载Ag锰氧化物催化剂，记为4Ag100Mn催化剂。
实施例5：
(1)将0.15g PVP溶解于7.5mL乙二醇与5mL去离子水中，再向其中加入3.225mL硝酸银溶液(100g/L)，磁力搅拌15min后将溶液转移到水热釜中，烘箱160℃反应3h后得到含有金属Ag纳米粒子的浊液1；
(2)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(3)在室温搅拌状态下，将浊液1完全转移到溶液1中，形成浊液2；
(4)向浊液2中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(5)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(6)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，即可得到Ag/Mn摩尔比为5:100的载Ag锰氧化物催化剂，记为5Ag100Mn催化剂。
催化剂的扫描电镜图及透射电镜图如图7、图8所示。由图7和图8可以看出5Ag100Mn催化剂中锰氧化物为棒状和颗粒状相互堆积形成多级结构，在锰氧化物的棒状结构上可以看到Ag颗粒的分布情况。
实施例6：
(1)将0.15g PVP溶解于7.5mL乙二醇与5mL去离子水中，再向其中加入3.870mL硝酸银溶液(100g/L)，磁力搅拌15min后将溶液转移到水热釜中，烘箱160℃反应3h后得到含有金属Ag纳米粒子的浊液1；
(2)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(3)在室温搅拌状态下，将浊液1完全转移到溶液1中，形成浊液2；
(4)向浊液2中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(5)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(6)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，即可得到Ag/Mn摩尔比为6:100的载Ag锰氧化物催化剂，记为6Ag100Mn催化剂。
对比例1：
(1)将6g KMnO4溶解于300mL硝酸溶液中(7.9g/L)，搅拌使其完全溶解，形成深紫色的水溶液1；
(2)向溶液1中逐滴加入300mL过氧化氢水溶液(18.3g/L)，溶液反应剧烈，伴随大量气体生成；
(3)待反应完成后，将沉淀过滤并用水洗涤3-5次，于90℃烘箱中过夜干燥；
(4)将烘干后的样品研磨成粉末，在氮气气氛中焙烧至500℃并保持2h，可得不含Ag的催化剂，记为MnOx。
实施例7：
通过对甲醛的降解实验来评价催化剂在太阳光照射下的活性。活性评价所用的反应器是一个定制的容积为40mL的不锈钢反应器。实验前，称取100mg如上实施例及对比例催化剂样品加入到5mL无水乙醇中，超声五分钟使其分散均匀，接着将其均匀涂覆在直径50mm玻璃纤维膜表面，90℃烘干。将干燥的玻璃纤维膜放置反应器内，气相甲醛(初始浓度420ppm)通过反应器进行反应。反应时使用模拟太阳光氙灯进行光照(CHF-XM500,BeijingChangtuo Co.)，光强用光功率计进行测量(CEL-NP2000-2)。甲醛完全氧化生成的产物CO2由色谱进行在线检测。甲醛的转化率按下式进行计算：
Figure BDA0001376762990000091
不同太阳光光强下的催化结果如图1至图5所示，由结果可知：没有负载Ag的MnOx对甲醛的降解能力差，在一个太阳光光强下(100mW cm-2)，甲醛转化率低于10％；当加入Ag时，Ag-MnOx催化活性相比于MnOx显著提高，其中，Ag含量较低时已表现出良好的催化活性，例如1Ag100Mn在一个太阳光光强下几乎能将甲醛完全降解，转化率接近100％；进一步增加Ag负载量时，5Ag100Mn表现出极高的催化活性，甚至在70mW cm-2的较低太阳光光强下就能实现完全降解甲醛的目标。
实施例8：
本实施例测试了实施例1、2、3、4、5、6及对比例1所制备的催化剂在太阳光光强100mW cm-2下降解甲醛时催化剂表面温度随时间变化，结果如图6所示。从图6中可看出，本发明所制备的催化剂能快速有效地将太阳光能转化为热能。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的制备方法，包括如下合成步骤：
（1）制备金属Ag纳米粒子；
（2）制备高锰酸钾的酸性溶液，将制备的溶液与步骤（1）制备的金属Ag纳米粒子混合；
（3）向步骤（2）得到的混合液中加入过氧化氢水溶液进行反应；
（4）将步骤（3）反应得到的产物进行焙烧得到载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx；
步骤2）中，所述金属Ag纳米粒子与高锰酸钾的摩尔比为（0.5～6）:100；
步骤3）中，所述过氧化氢水溶液的质量分数为1.5-2.0%；
步骤3）中，所述过氧化氢溶液的体积与步骤2）使用的高锰酸钾的质量比为（30-80）mL:1 g。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）制备金属Ag纳米粒子的方法为化学还原法、光还原法、电化学法、激光烧蚀法、微乳法或辐射法。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1）制备金属Ag纳米粒子的方法为化学还原法，为使用PVP（聚乙烯吡咯烷酮）、乙二醇及硝酸银合成金属Ag纳米粒子。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述酸性溶液为无机酸的水溶液。
5.如权利要求4所述的制备方法，步骤2）中，所述酸性溶液为如下一种或多种无机酸的水溶液：硝酸、硫酸、盐酸、磷酸。
6.如权利要求1、4或5所述的制备方法，其中，所述酸性溶液物质的量浓度为0.05-0.20mol/L。
7.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述高锰酸钾的质量与酸性溶液的体积比为1g:（30-80）mL。
8.如权利要求7所述的制备方法，其中，所述高锰酸钾的质量与酸性溶液的体积比为1g:50 mL。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述金属Ag纳米粒子与高锰酸钾的摩尔比为5:100。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述过氧化氢水溶液的质量分数为1.8%。
11.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述过氧化氢溶液的体积与步骤2）使用的高锰酸钾的质量比为50 mL:1 g。
12.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述焙烧的温度为300-700oC。
13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述焙烧的温度为400-600oC。
14.如权利要求1、12或13所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述焙烧在惰性气氛中进行。
15.如权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述焙烧在氮气氛围中进行。
16.载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的用途，其特征在于，在太阳光的作用下用于催化挥发性有机污染物的降解，其中，所述载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx通过权利要求1-15任一项所述方法制备得到。
17.根据权利要求16所述载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的用途，其特征在于，在太阳光的作用下催化氧化甲醛降解。
18.如权利要求16或17所述载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的用途，其特征在于，所述太阳光光强不低于65mW cm-2。
19.如权利要求18所述载Ag锰氧化物催化剂Ag-MnOx的用途，其特征在于，所述太阳光光强为70、80、90或100mW cm-2。
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