[發明專利]氧化還原-水解偶聯反應制備雙金屬氧化物用于VOCs低溫催化燃燒

有效

• 申請號: 201610844743.6
• 申請日: 2016-09-23
• 公開（公告）號: CN107999085B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 賈宏鵬;陳金;許珍
• 申請（專利權）人: 中國科學院城市環境研究所
• 主分類號: B01J23/889
• 分類號: B01J23/889;B01J23/34
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 聶稻波;呂少楠

本專利是關于一種Mn?X（X=Fe、Co、Al等）雙金屬金屬氧化物催化劑的合成新方法及其在揮發性有機物（VOCs）低溫催化燃燒領域的應用。該方法的實施步驟包括了：將KMnO₄和金屬強酸鹽（如Fe(NO₃)₃·9H₂O、Co(NO₃)₂等）溶解于一定體積的去離子水中形成溶液1；將3倍理論當量的H₂O₂用去離子水稀釋形成溶液2；在室溫條件下，將溶液2逐滴加入到溶液1中，反應過程中伴有大量氣體的生成；將生成的沉淀過夜老化后進行過濾、洗滌、烘干和高溫焙燒后即可以得到所需的Mn?X雙金屬催化劑。該方法具有簡單、快速的特點，可避免傳統共沉淀法所面臨的沉淀不完全、雙金屬混合不均勻等問題；并且所合成的金屬氧化物具有比表面積大、納米顆粒尺寸小等優點，有利于VOCs催化燃燒反應在其表面的進行。在甲苯低溫催化燃燒反應中，所合成的Mn?X雙金屬催化劑取得了理想的催化效果。

技術領域

本發明涉及一種適用于VOCs低溫催化燃燒的Mn-X雙金屬氧化物的合成新方法，屬于化學催化劑及其制備技術領域。

背景技術

隨著經濟的發展和人們生活水平的日益提高，環境污染問題越來越受到人們的關注。工業“三廢”是重要的環境污染源，其中廢氣具有彌散性強、污染范圍廣、難以回收集中處理等特點，是工業污染防治的重點。揮發性有機物（VOCs）在廢氣污染中占有相當大的比重，主要來源于石油化工、印刷、涂裝等行業，其種類多樣包括了脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、酯、醛類等。VOCs分子可與空氣中氮氧化物（NO_x）形成光化學煙霧、O₃等有害物質對環境造成直接的破壞，部分VOCs分子對人體還具有致畸、致癌、致突變的“三致”效應，因此有必要從污染源頭上控制VOCs的排放。目前，VOCs的凈化手段主要有吸附法、直接燃燒法、低溫等離子法、催化燃燒法等。其中，催化燃燒法是一種借助催化劑的作用，使VOCs分子在較低的起燃溫度下發生無焰燃燒的凈化手段；在反應過程中VOCs完全氧化生成無毒無害的H₂O和CO₂。催化燃燒相較于其他VOCs消除手段，具有反應溫度低、二次污染小、VOCs處理濃度高等特點，是一種適用于工業尾氣中VOCs凈化的技術手段。

在VOCs的催化燃燒反應中，催化劑扮演著至關重要的角色。根據催化劑中其主要作用的金屬種類不同，可分為貴金屬和非貴金屬催化劑。貴金屬催化劑所使用的貴金屬主要有Pt、Ru、Pd等，具有活性高、起燃溫度低等優點；然而，在使用過程中貴金屬催化劑面臨著材料成本高、易中毒失活等問題，限制了其在VOCs凈化中的大規模使用。非貴金屬催化劑由于所使用的金屬價格低廉，大大降低了應用成本，因而其開發和利用一直是人們研究的重點。目前，已報道的用于VOCs催化燃燒的非貴金屬催化劑主要包含了Cu、Fe、Mn、Co、V等過渡非貴金屬材料。這些過渡金屬對于不同的VOCs表現出了迥異的催化反應性能，其中Mn基金屬氧化物在不同物種VOCs的催化燃燒中均有報道，被認為是一種具有廣譜催化性能的催化材料。然而，單金屬氧化物在反應過程中易發生燒結，導致催化劑的使用壽命縮短，因此往往需要通過引入第二金屬以提高非貴金屬催化劑的使用壽命。

目前，Mn-X雙金屬氧化物的合成方法主要包括了共沉淀法和浸漬法，這些方法面臨著雙金屬混合不充分、反應周期長、廢水廢渣較多等問題。因此，本發明旨在采用將H₂O₂還原KMnO₄和非貴金屬強酸鹽水解雙反應偶聯的方法快速制備出具有原子級高度分散性的Mn-X雙金屬氧化物，并將其用于甲苯的催化燃燒反應中。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，克服現有合成技術的不足，提供一種簡便、快捷的Mn-X雙金屬催化劑合成方法。這種方法合成的催化劑具有高表面積、原子高度分散的特點，有利于VOCs分子與催化活性中心的充分接觸，在較低的反應溫度下即可實現VOCs分子的充分氧化，適用于工業尾氣中高濃度VOCs的凈化處理。