[發明專利]用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑及制備方法

有效

• 申請號: 202010644265.0
• 申請日: 2020-07-07
• 公開（公告）號: CN111686754B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 劉勇軍;肖敏
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: B01J23/889
• 分類號: B01J23/889;B01J23/34;B01J35/10;B01J37/03;B01J37/08;F23G7/07
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 辜桂芳

本發明公開了用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑及制備方法。所述非貴金屬催化劑包含層狀二氧化錳和摻雜金屬氧化物。本發明通過在層狀氧化錳的層間引入金屬氧化物得到用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑，提高了層狀氧化錳的結構穩定性、比表面積和表面活性氧物種數量。經對照試驗驗證得到，本發明的非貴金屬催化劑高、穩定性強，在相同測試條件下，未摻雜改性的層狀氧化錳的甲苯完全轉化溫度(T₉₀)為230℃，而銅、鍶和鎳摻雜改性的層狀氧化錳催化劑的甲苯完全轉化溫度(T₉₀)可降低至196℃。該結果表明，銅、鍶和鎳摻雜改性的層狀氧化錳催化劑的催化性能優越，其性能優于傳統商品貴金屬催化劑(其T₉₀一般高于220℃)。

技術領域

本發明涉及揮發性有機物的催化燃燒的技術領域，具體而言，涉及用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑及制備方法。

背景技術

工業過程排放的大量揮發性有機物(VOCs)是PM_2.5和O₃污染的主要前體物，是我國區域性大氣問題的重要原因。催化燃燒技術是控制VOCs污染的主流技術，具有能耗低、無二次污染、操作便捷等優勢。傳統貴金屬催化劑活性高，但存在價格昂貴、易中毒和失活等問題。因此，錳氧化物催化劑因其價格低廉、催化氧化甲苯等揮發性有機物的活性好，具有廣闊的工業應用前景。

錳氧化物包括氧化錳(MnO)、二氧化錳(MnO₂)、三氧化二錳(Mn₂O₃)、四氧化三錳(Mn₃O₄)等不同化學組成，其中二氧化錳的催化活性最好。催化劑的結構與性能關系很大。MnO₂主要包括層狀和隧道型兩種構型。其中，層狀氧化錳具有多孔結構、Mn的混合價(Mn(III)和Mn(IV))、易活化、易釋放的晶格氧等獨特物理化學性質，在催化反應中具有出色的反應活性。層狀氧化錳又可分為三大類結構：(1×∞)構型的水羥錳礦，(2×∞)構型的水鈉錳礦或水鉀錳礦以及(3×∞)構型的布塞爾礦。水鈉錳礦或水鉀錳礦型層狀氧化錳的層間電荷密度和層間距(d＝0.7nm)適中，且具有較強的離子交換活性。然而，未進行摻雜改性處理的層狀氧化錳催化劑的層狀結構不穩定、比表面積較小、催化反應活性仍有待進行提高。

發明內容

本發明的主要目的在于進一步提高水鈉錳礦或水鉀錳礦型層狀氧化錳的催化燃燒揮發性有機物的催化活性，通過對水鈉錳礦或水鉀錳礦型層狀氧化錳進行金屬摻雜改性，提供一種用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑、其制備方法和應用，以解決現有技術中層狀氧化錳催化劑結構不穩定、比表面積較小和催化反應活性較低的技術問題。

為了實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：

用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑，包含層狀二氧化錳和摻雜金屬氧化物。

進一步地是，所述摻雜金屬氧化物中的摻雜金屬為銅、鍶和鎳中的一種和任意幾種。

進一步地是，所述摻雜金屬氧化物中摻雜金屬為銅/鍶。

進一步地是，所述非貴金屬催化劑中，摻雜金屬氧化物中的摻雜金屬與錳的摩爾比為0.05-0.3，優選為0.1-0.2。

進一步地是，X射線衍射圖譜中在2θ為12.4°、25.1°處檢測到水鈉錳礦或水鉀錳礦型MnO₂的“001”和“002”晶面的特征衍射峰，非貴金屬催化劑的平均晶粒尺寸為5～30納米。

進一步地是，具有介孔結構，低溫氮氣吸附曲線中能觀測到吸附回線，非貴金屬催化劑的比表面積為20～150m²/g。

用于催化燃燒揮發性有機物的非貴金屬催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)配置氫氧化鉀溶液；配置高錳酸鉀溶液；配置含有錳鹽和摻雜金屬氧化物中摻雜金屬的鹽所構成的混合鹽溶液；