[發明專利]一種炭纖維負載的貴金屬單原子甲醛氧化催化劑及其制法和應用

在審

• 申請號: 202011051544.2
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112156774A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 劉平;荀家瑤;吉可明;田艷青;張侃
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: B01J23/46
• 分類號: B01J23/46;B01J23/52;B01J35/00;B01J35/06;B01J35/10;B01D53/86;B01D53/72
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

本發明屬于一種用于甲醛催化氧化反應的催化劑及其制法和應用，尤其是一種炭纖維負載的貴金屬單原子甲醛氧化催化劑及其制法和應用。本發明以具有較大比表面積的炭纖維為載體，通過制備方式、催化劑組成含量及相關關鍵條件的調變，調節催化劑貴金屬活性中心分布，減少貴金屬原子配位數，得到單原子分布的貴金屬活性中心。利用炭纖維比表面積大，孔結構豐富的特征，實現貴金屬單原子的均勻和穩固落位，從而獲得較好的催化活性和穩定性。

技術領域

本發明屬于一種用于甲醛催化氧化反應的催化劑及其制法和應用，尤其涉及一種炭纖維負載的貴金屬單原子甲醛氧化催化劑及其制法和應用。

背景技術

甲醛具有明確的致癌、致畸作用，是重要的室內污染物。目前，甲醛污染的治理方式主要有通風換氣法、生物凈化法、物理吸附法、等離子法、光催化氧化法及催化氧化法等。其中通風換氣法和生物凈化法應用場景存在局限，凈化效果不穩定；物理吸附法存在吸附材料飽和再生問題，難以長期持續工作；等離子法和光催化氧化法雖效果較好，但處理產物可能存在二次污染。與上述方法相比，催化氧化法甲醛轉化效率高，氣體處理量大，處理完全且不存在吸附飽和，過程能耗較低，不產生二次污染，在實際應用中操作條件容易控制，工藝流程簡單，已成為室內空氣污染治理技術研究的熱點。

甲醛催化氧化反應的關鍵在于催化劑活性中心的選擇和催化劑結構的設計。作為廣泛應用的催化材料，貴金屬具有未填滿的d電子軌道，表面易吸附反應物，吸附強度適中，利于形成“活性中間產物”，催化劑活性和穩定性均較好，是甲醛催化氧化反應中最常用的催化材料。然而，貴金屬儲量稀少，價格昂貴，其用量嚴重影響了催化劑的原料成本。如何在較低負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用所亟需解決的關鍵問題。

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構的調變，可以在一定程度上調節活性中心的電子環境、晶體結構、界面性質和分散情況，改善鉑的催化效率。然而，表征結果證實，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簇的形式存在，團簇體相中的大量原子未直接參與催化反應，貴金屬原子的利用率還存在進一步提高的潛力。

2011年，中國科學院大連化學物理研究所張濤院士團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載在催化劑載體上。從配位信息上來說，催化劑中沒有出現傳統的金屬-金屬鍵。單分子催化劑具有100%的原子利用率，在負載貴金屬材料時具有明顯的價格優勢。本發明擬采用具有多孔結構、大比表面積的炭纖維作為載體，將單原子催化劑的制備方式引入貴金屬/炭纖維催化劑的制備當中，設計并合成單原子貴金屬/炭纖維催化劑，以達到甲醛高效催化轉化的目標。

發明內容：

本發明目的是提供一種用于甲醛催化氧化反應的催化劑及其制法和應用，尤其涉及一種炭纖維負載的貴金屬單原子甲醛氧化催化劑及其制法和應用。

本發明所采用的技術方案是：一種炭纖維負載的貴金屬單原子甲醛氧化催化劑，該催化劑的重量百分比組成為：貴金屬 0.1~3.5 wt%，其余為炭纖維載體，炭纖維載體比表面積為100000~250000m²/g，纖維直徑為2~4μm。

所述的貴金屬為鉑、釕、鈀、金中的至少2種。

一種炭纖維負載的貴金屬單原子甲醛氧化催化劑制備方法，將炭纖維載體在0.02～0.08 g/ml的貴金屬可溶性鹽溶液中，攪拌條件下浸漬6~24 h，浸漬結束后在80~120℃的溫度下干燥12~24h，干燥結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，在氮氣氣氛下350~450℃的溫度下焙燒1~3h，隨后冷卻、造粒，得到成品催化劑。

貴金屬可溶性鹽為貴金屬的硝酸鹽。