[發(fā)明專利]一種氧化錳負(fù)載的貴金屬單原子VOC氧化催化劑及其制法和應(yīng)用

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202011051543.8
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112156779A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吉可明;劉平;荀家瑤;張侃;田艷青
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所
• 主分類號: B01J23/656
• 分類號: B01J23/656;B01J35/00;B01J35/10;B01D53/86;B01D53/44
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

本發(fā)明屬于一種用于揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）廢氣催化氧化反應(yīng)的催化劑及其制法和應(yīng)用，尤其是一種氧化錳負(fù)載的貴金屬單原子VOC氧化催化劑及其制法和應(yīng)用。本發(fā)明以具有VOC催化氧化活性的氧化錳作為活性載體，可以對貴金屬活性中心形成補(bǔ)充，并通過協(xié)同作用，提高催化劑反應(yīng)活性。通過制備方式、催化劑組成含量及相關(guān)關(guān)鍵條件的調(diào)變，調(diào)節(jié)催化劑貴金屬活性中心分布，減少貴金屬原子配位數(shù)，得到單原子分布的貴金屬活性中心。利用錳物種多種價態(tài)混雜、孔結(jié)構(gòu)豐富、缺陷位較多的特征，實(shí)現(xiàn)貴金屬單原子的均勻和穩(wěn)固落位，從而獲得較好的催化活性和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種用于VOC催化氧化反應(yīng)的催化劑及其制法和應(yīng)用，尤其涉及一種氧化錳負(fù)載的貴金屬單原子VOC氧化催化劑及其制法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

揮發(fā)性有機(jī)物簡稱VOC，是重要的空氣污染物。目前，VOC污染的治理方式主要有冷凝回收法、吸收法、吸附法、生物凈化法及催化氧化法。其中冷凝回收法和生物凈化法分別適用于高濃度和低濃度VOC的處理；吸收法和吸附法適用于中高濃度的VOC處理，處理量大且效果好，但存在吸收和吸附飽和的問題。與上述方法相比，催化氧化法適用于中低濃度的VOC處理，應(yīng)用場景廣泛，VOC轉(zhuǎn)化效率高，氣體處理量大，處理完全且不存在吸附飽和，過程能耗較低，不產(chǎn)生二次污染，在實(shí)際應(yīng)用中操作條件容易控制，工藝流程簡單，已成為空氣污染治理技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

VOC催化氧化反應(yīng)的關(guān)鍵在于催化劑活性中心的選擇和催化劑結(jié)構(gòu)的設(shè)計。作為廣泛應(yīng)用的催化材料，貴金屬具有未填滿的d電子軌道，表面易吸附反應(yīng)物，吸附強(qiáng)度適中，利于形成“活性中間產(chǎn)物”，催化劑活性和穩(wěn)定性均較好，是VOC催化氧化反應(yīng)中最常用的催化材料。然而，貴金屬儲量稀少，價格昂貴，其用量嚴(yán)重影響了催化劑的原料成本。如何在較低負(fù)載量的條件下提高貴金屬原子利用率，從而提高催化效率，已成為貴金屬催化劑面向應(yīng)用所亟需解決的關(guān)鍵問題。

以往研究表明，通過貴金屬合金的合成、非貴金屬助劑的摻雜以及載體種類和載體微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)變，可以在一定程度上調(diào)節(jié)活性中心的電子環(huán)境、晶體結(jié)構(gòu)、界面性質(zhì)和分散情況，改善鉑的催化效率。然而，表征結(jié)果證實(shí)，在這些研究中，得到的貴金屬物種在催化劑中依然以納米團(tuán)簇的形式存在，團(tuán)簇體相中的大量原子未直接參與催化反應(yīng)，貴金屬原子的利用率還存在進(jìn)一步提高的潛力。

2011年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所張濤院士團(tuán)隊率先提出單原子催化的概念。該方法將具有催化活性的金屬原子單分散性地負(fù)載在催化劑載體上。從配位信息上來說，催化劑中沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)的金屬-金屬鍵。單分子催化劑具有100%的原子利用率，在負(fù)載貴金屬材料時具有明顯的價格優(yōu)勢。本發(fā)明擬采用具有多孔結(jié)構(gòu)、可變價態(tài)，且具有一定VOC氧化活性的氧化錳作為載體，將單原子催化劑的制備方式引入貴金屬/氧化錳催化劑的制備當(dāng)中，設(shè)計并合成單原子貴金屬基氧化錳催化劑，以達(dá)到VOC高效催化轉(zhuǎn)化的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明目的是提供一種用于VOC催化氧化反應(yīng)的催化劑及其制法和應(yīng)用，尤其涉及一種氧化錳負(fù)載的貴金屬單原子VOC氧化催化劑及其制法和應(yīng)用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種氧化錳負(fù)載的貴金屬單原子VOC氧化催化劑，該催化劑的重量百分比組成為：貴金屬 0.01~1.5 wt%，其余為氧化錳載體，氧化錳載體中錳的價態(tài)為+2~+4價之間。

貴金屬為鉑、釕、鈀、金中的至少2種。

氧化錳載體比表面積為50~200m²/g，孔體積為0.1~0.5cm³/g。

一種氧化錳負(fù)載的貴金屬單原子VOC氧化催化劑制備方法，將氧化錳載體在濃度為0.05～0.13 g/ml的貴金屬可溶性鹽溶液中攪拌條件下浸漬6~24 h，浸漬結(jié)束后在80~120℃的溫度下干燥12~24h，干燥結(jié)束后用去離子水洗滌3~5次，再次在80~120℃的溫度下干燥12~24h，在350~450℃的溫度下焙燒1~3h，隨后冷卻、造粒，得到成品催化劑。