CN115364850B - 一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种固相Ce‑δ‑MnO2分子筛催化剂及其制备方法和应用，属于环境催化技术领域。一种固相Ce‑δ‑MnO2分子筛催化剂，所述固相Ce‑δ‑MnO2分子筛催化剂包括载体和活性组分；所述载体为水纳锰矿型氧化锰分子筛；所述活性组分为Ce。该催化剂能在宽温度操作范围、在宽空速操作范围内接近100％的甲醛去除率，同时还具有优异的二氧化碳生成选择性；采用Ce作为催化剂的活性组分，催化剂的应用成本大幅度下降，更加适用于大规模的推广应用。
Description
技术领域
本申请涉及一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂及其制备方法和应用，属于环境催化技术领域。
背景技术
随着人们环保意识的逐渐增强，人们意识到室内空气污染对我们的身心健康带来巨大的威胁。作为室内空气污染物中的头号杀手-甲醛，尤其引起了人们的广泛关注。催化氧化法是解决室内甲醛污染的最佳方法之一，催化氧化法的核心是催化剂。尽管在过去一段时间，在低温除甲醛领域已经取得了巨大的进步，但是由于贵金属(Pt、Au、Ag)昂贵的价格依然极大的限制了催化剂的大规模应用。此外尽管非贵金属催化剂例如Mn基催化剂在低温催化氧化甲醛领域取得了令人欣喜的进展，但是目前为止，在制备室温完全催化氧化的甲醛的非贵金属基催化剂依旧很难，因此，开发在室温下完全降解甲醛的非贵金属催化剂具有重大的现实意义。
发明内容
根据本申请的第一个方面，提供了一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂，该催化剂利用铈和锰之间的强相互作用，在合成过程中反应活性组分Ce直接进入水纳锰矿型分子筛孔道内部，使得活性氧的迁移能力和活性氧的数目大幅度提升，吸附在催化剂表面的甲醛迅速和催化剂中的活性氧发生反应，生成无毒无害的二氧化碳和水。从而使催化剂在20℃及以上温度、6,0000h-1及以下空速条件下完全净化消除室内与固定源尾气中的甲醛。
一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂，所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂包括载体和活性组分；
所述载体为水纳锰矿型氧化锰分子筛；
所述活性组分为Ce。
可选地，所述活性组分直接进入所述载体的孔道。
可选地，所述活性组分占所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的重量比为0.1％～20％。
可选地，所述活性组分占所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的重量比为5％～12％。
可选地，所述活性组分占所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的重量比独立地选自0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％中的任意值或任意两者之间的范围值。
根据本申请的第二个方面，提供了一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的制备方法。该制备方法创新性地把非贵金属铈一步无溶剂法加入载体表面内部，使甲醛在催化剂上的活性大幅度的提高。
上述所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将含有KMnO4、Mn源、Ce源的混合物，置于密闭容器中，反应得到所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂。
可选地，所述混合物为固体粉末。
可选地，反应中无溶剂。
可选地，所述Mn源选自MnO2、MnCl2、MnSO4中的一种。
可选地，所述Ce源选自CeCl3、Ce(NO3)3、Ce(Ac)3、Ce2(SO4)3中的一种。
可选地，KMnO4、Mn源、Ce源的质量比为1：0.3～0.8：0.3～0.8。
可选地，KMnO4、Mn源、Ce源的质量比为1：0.5～0.6：0.4～0.5。
Mn源、Ce源的质量分别以化合物中的元素Mn、Ce来计算。
可选地，反应的条件如下：
温度为60℃～100℃；
时间为2h～6h。
可选地，反应晶化后，经过滤、洗涤、干燥得到所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂。
根据本申请的第三个方面，提供了一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的应用。
上述所述的固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂和/或上述所述制备方法得到的固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂在室温除甲醛中的应用。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂，该催化剂能在宽温度操作范围(室温25℃及以上温度条件)、在宽空速操作范围(9,0000h-1及以下空速条件)内接近100％的甲醛去除率，尤其适应于室内与固定源尾气中的甲醛完全消除，同时还具有优异的二氧化碳生成选择性；相对于现有的贵金属室温催化氧化甲醛的催化剂而言，采用Ce作为催化剂的活性组分，催化剂的应用成本大幅度下降，更加适用于大规模的推广应用。
2)本申请所提供的一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的制备方法，该方法采用无毒无害组分，不会对人体健康和生态环境造成危害，简单易行；催化剂合成过程时间极短，仅需2-6小时晶化时间，相对于其他除醛催化剂的晶化时间大幅度缩短。
附图说明
图1为Ce0.2-δ-MnO2催化剂在不同空速条件下的甲醛转化率。
图2为Ce0.2-δ-MnO2催化剂在不同湿度条件下的甲醛转化率。
图3为Ce0.2-δ-MnO2催化剂在25℃条件下的甲醛转化率。
图4为Ce0.2-δ-MnO2催化剂的HRTEM图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用Hitachi SU 1510型扫描电镜进行形貌分析。
利用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet is 50FT-IR)进行甲醛催化分析。
本申请的实施例中转化率计算如下：
转化率＝(入口甲醛浓度-出口甲醛浓度)/入口甲醛浓度*100％
本申请所述的室温为20℃～30℃。
实施例1
通过固相无溶剂法快速一步合成Ce-δ-MnO2分子筛催化剂，具体过程为：将9.489g(0.06mol)KMnO4，22.059g(0.09mol)Mn(Ac)2·4H2O和9.306g(0.03mol)Ce(NO3)3·6H2O混合加入到研钵中，室温搅拌10分钟，然后转移至水热反应釜中，在80℃条件下晶化4小时。将晶化后样品过滤，洗涤，继续在80℃干燥4小时，得到Ce0.2-δ-MnO2。将催化剂过筛为40-60目大小颗粒备用。
实施例2
其余与实施例1相同，除Ce(NO3)3·6H2O的加入量为0.465g(0.0015mol)，室温搅拌1小时，晶化6小时，100℃干燥6小时，得到Ce0.01-δ-MnO2。
实施例3
其余与实施例1相同，除Ce(NO3)3·6H2O的加入量为4.65g(0.015mol)，室温搅拌20分钟，晶化3小时，60℃干燥3小时，得到Ce0.1-δ-MnO2。
实施例4
其余与实施例1相同，除Ce(NO3)3·6H2O的加入量为13.959g(0.045mol)，室温搅拌40分钟，晶化5小时，80℃干燥2小时，得到Ce0.3-δ-MnO2。
实施例5
其余与实施例1相同，除Ce(NO3)3·6H2O的加入量为23.265g(0.075mol)，室温搅拌50分钟，晶化3小时，100℃干燥1小时，得到Ce0.5-δ-MnO2。
实施例7
其余与实施例1相同，除Ce(NO3)3·6H2O的加入量为46.531g(0.15mol)，室温搅拌30分钟，晶化5小时，80℃干燥1小时，得到Ce1-δ-MnO2。
实施例8
其余与实施例1相同，除加入的Ce盐采用CeCl3，加入量为0.03mol，得到Ce0.2-δ-MnO2。
实施例9
其余与实施例1相同，除加入的Ce盐采用Ce(Ac)3，加入量为0.03mol，得到Ce0.2-δ-MnO2。
实施例10
其余与实施例1相同，除加入的Ce盐采用Ce2(CO3)3，加入量为0.03mol，得到Ce0.2-δ-MnO2。
实施例11
其余与实施例1相同，除加入的Ce盐采用Ce2(SO4)3，加入量为0.03mol，得到Ce0.2-δ-MnO2。
对比例1
采用商业δ-MnO2作为载体，用等体积浸渍的方法负责活性组分Ce，同时负载的Ce的质量为Ce/Mn＝1：5。
发明的效果验证
将实施例1制备获得的催化剂用于甲醛催化氧化反应：
分别取实施例1催化剂200mg、100mg、50mg、20mg，对应的空速分别为30,000mL/(g·h)、60,000mL/(g·h)、120,000mL/(g·h)、240,000mL/(g·h)对应的条件情况编号分别为A、B、C、D。实验条件如下：氧气21％，氮气79％，控制甲醛的浓度为40ppm，相对湿度为50％，反应温度为室温。HCHO和CO2均利用红外气体池测定。
所得催化剂的催化活性均在固定反应床上进行，至反应进行至稳态测定反应气体的组成，在A、B、C、D四种测试情况下，催化剂的催化活性如图1所示。
由图1可以看出，所述催化剂有着优异的室温甲醛催化活性。在条件A、B、C情况下，该催化剂的在25℃温度下，甲醛的转化率在100％。而在条件D极端空速条件下，甲醛转化率依然保持在30％以上，这说明该催化剂具有非常优异的甲醛催化氧化性能。
将实施例1制备获得的催化剂用于甲醛催化氧化反应：
取实施例1催化剂100mg，对应的空速分别为60,000mL/(g·h)。实验条件如下：氧气21％，氮气79％，控制甲醛的浓度为40ppm，反应温度为室温。另外向反应体系中分别引入相对湿度为0，50％，90％的水。对应的条件情况编号分别为A、B、C。HCHO和CO2均利用红外气体池测定。
所得催化剂的催化活性均在固定反应床上进行，至反应进行至稳态测定反应气体的组成，催化剂的催化活性如图2所示。
由图2可以看出，所述催化剂有着优异的室温甲醛催化活性。在相对湿度在0～90％的情况下，该催化剂保持甲醛的转化率在100％。这说明该催化剂具有非常优异的甲醛催化氧化性能。
将实施例1制备获得的催化剂用于甲醛催化氧化反应：
取实施例1催化剂100mg，对应的空速分别为60,000mL/(g·h)。实验条件如下：氧气21％，氮气79％，控制甲醛的浓度为40ppm，相对湿度为50％，反应温度为25℃。HCHO和CO2均利用红外气体池测定。
所得催化剂的催化活性均在固定反应床上进行，至反应进行至稳态测定反应气体的组成，催化剂的催化活性如图3所示。
由图1可以看出，所述催化剂有着优异的室温甲醛催化活性。在25℃反应温度下，该催化剂在较长时间内保持甲醛的转化率在100％。这说明该催化剂具有非常优异的甲醛催化氧化性能。
将实施例1-7制备获得的催化剂用于甲醛催化氧化反应：
分别取0.1g实施例1～7催化剂，放置于管式固定床反应器中进行实验，实验条件如下：氧气21％，氮气79％，控制甲醛的浓度为40ppm，相对湿度为50％，反应空速(GHSV)为60000mL/(g·h)，反应温度为室温，HCHO和CO2均利用红外气体池测定。活性评价结果如表1所示。
由表1可以看出，实施例1-7催化剂有着非常优异的室温甲醛催化活性。
表1：不同Ce负载量条件下Ce-δ-MnO2催化剂在室温条件下的甲醛转化率和二氧化碳的选择性
| 甲醛选择性/％ | 二氧化碳选择性/％ | |
| 实施例1 | 99 | 99 |
| 实施例2 | 6 | 100 |
| 实施例3 | 39 | 99 |
| 实施例4 | 99 | 99 |
| 实施例5 | 99 | 100 |
| 实施例6 | 100 | 100 |
| 实施例7 | 99 | 100 |
将实施例8-11制备获得的催化剂用于甲醛催化氧化反应：
分别取0.1g实施例8-11催化剂，放置于管式固定床反应器中进行实验，实验条件如下：氧气21％，氮气79％，控制甲醛的浓度为40ppm，相对湿度为50％，反应空速(GHSV)为60000mL/(g·h)，反应温度为室温，活性评价结果如表2所示。
由表2可以看出，采用不同Ce的前驱体依然有非常优异的室温催化甲醛活性。
表2：不同Ce前驱体条件下Ce-δ-MnO2催化剂在室温条件下的甲醛转化率和二氧化碳的选择性
对比实施例：
将对比例1制备获得的催化剂用于甲醛催化氧化反应：
分别取0.1g对比例1催化剂，放置于管式固定床反应器中进行实验，实验条件如下：氧气21％，氮气79％，控制甲醛的浓度为40ppm，相对湿度为50％，反应空速(GHSV)为60000mL/(g·h)，反应温度为室温，活性评价结果如表3所示。
由表3可以看出，采用商用的δ-MnO2为载体，催化剂的室温催化甲醛活性大大的下降。
表3：不同载体条件下含Ce催化剂在室温条件下的甲醛转化率和二氧化碳的选择性
| 甲醛选择性/％ | 二氧化碳选择性/％ | |
| 对比例1 | 10 | 87 |
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (3)
1.一种室温除甲醛的固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂的制备方法，其特征在于，具体过程为：
将含有KMnO4、Mn源、Ce源的混合物，置于密闭容器中，搅拌，晶化，将晶化后样品经过滤、洗涤、干燥，得到所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂；
所述混合物为固体粉末；
反应中无溶剂；
KMnO4、Mn源、Ce源的质量比为1：0.5 ~ 0.6：0.4 ~ 0.5；
Mn源、Ce源的质量分别以化合物中的元素Mn、Ce来计算；
所述Mn源选自MnO2、MnCl2、MnSO4中的一种；
所述固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂包括载体和活性组分；
所述载体为水纳锰矿型氧化锰分子筛；
所述活性组分为Ce；
晶化时间为2~6h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ce源选自CeCl3、Ce(NO3)3、Ce(Ac)3、Ce2(SO4)3中的一种。
3.权利要求1或2所述制备方法得到的固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂在室温除甲醛中的应用。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211138933.8A CN115364850B (zh) | 2022-09-19 | 2022-09-19 | 一种固相Ce-δ-MnO2分子筛催化剂及其制备方法和应用 |
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| CN115364850A CN115364850A (zh) | 2022-11-22 |
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