[發明專利]錳基光熱協同去除甲醛的整體式催化劑及其制備和應用

在審

• 申請號: 202110940902.3
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113731494A
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 孫鵬飛;俞惠佳;李穎雙;劉婷婷;董曉平
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: B01J31/06
• 分類號: B01J31/06;B01J31/32;B01J35/00;B01J35/02;B01J37/02;B01D53/86;B01D53/72
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 高佳逸;胡紅娟

本發明公開了一種錳基光熱協同去除甲醛的整體式催化劑及其制備方法和在光照下光熱協同去除甲醛中的應用。所述制備方法包括：將三聚氰胺海綿在超聲條件下完全浸泡在石墨烯懸浮液中一段時間后取出，室溫自然干燥后再完全浸泡在高錳酸鉀溶液中，55～65℃下加熱反應一段時間后取出，洗滌，室溫干燥得到所述錳基光熱協同去除甲醛的整體式催化劑。本發明整體式催化劑具有三聚氰胺海綿?氧化石墨烯?氧化錳三層結構，用于光照下光熱協同去除甲醛時，三聚氰胺海綿、氧化石墨烯、氧化錳三者具有顯著的協同作用，催化劑表面升溫明顯，甲醛去除效果極佳。

技術領域

本發明涉及光熱協同催化技術領域，具體涉及一種錳基光熱協同去除甲醛的整體式催化劑及其制備和應用。

背景技術

隨著經濟發展和人們生活水平的提高，越來越多由各種化學材料制成的室內裝潢材料被廣泛應用，由此導致了大量室內空氣污染現象頻發。甲醛作為一種典型的室內空氣污染物受到廣泛的關注，其在常見裝潢材料中的益處需要維持3-15年，更為危險的是其無色無味的化學屬性會導致人們在不經意間受到身體的損耗。根據相關文獻報道，甲醛對人體健康的影響主要表現為嗅覺異常、肺功能異常、肝功能異常、免疫功能異常和呼吸系統異常；長期生活在甲醛超標的環境中，會引起鼻腔、口腔、消化道的癌癥，高濃度的甲醛會毒害神經系統、免疫系統、肝臟，甚至會導致死亡。為此，開發具備高效出去室內甲醛的新技術和新材料尤為重要。

當前，常見的甲醛去除技術包括生物凈化法、吸附法、低溫等離子體氧化法、低溫催化氧化法、光催化法等。生物凈化法利用微生物自身代謝特點降解相關污染物，但是該方法需要建立復雜的生物凈化裝置，且在運行過程中還需要不斷調整微生物的生存環境，使其能夠達到良好的污染物降解效率，這樣使得運行過程變得繁瑣復雜，并不適合室內空氣污染的凈化。吸附法作為一種傳統的物理方法，在較小的室內空間的確能夠提供較好的污染物去除效率，但是吸附劑的再處置和再利用是該方法最主要的技術限制。低溫等離子體氧化法和低溫催化氧化法則需要額外考慮電能和熱能的供應，以獲得該方法對污染物氧化去除的初始溫度，增加了運行成本。光催化法利用紫外和可見光作為光能激化催化劑或者污染物本身，使其被氧化分解，被視為一種綠色環保的室內空氣凈化方法。然而，該方法對于某些特定污染物也存在去除效率低、反應不完全等特點，若要提高催化性能需要采用貴金屬作為催化劑活性組分，增加了催化劑合成的成本。

光熱協同催化是近年研究熱度較高的一種空氣凈化方法，其特點是利用催化劑具備光能轉換為熱能的特征，使得催化劑表面溫度能夠上升到污染物被催化氧化的溫度，促使污染物高效氧化分解。氧化錳作為一種較為活潑的過渡金屬氧化物，其在大部分空氣污染物的催化氧化去除過程中被應用。根據文獻報道，氧化錳可以在溫度接近80℃時，徹底催化分解甲醛。然而，其光熱效應主要來源于氧化錳中的金屬離子吸收可見光中的光電子產生的軌道躍遷而形成的電子-空穴而形成，該過程遠不足以使表面的反應溫度達到80℃。為此，通過在氧化錳催化劑上復合一些炭黑材料，增加其對于可見光中近紅外波長的吸收效率，以提高污染物氧化反應的表面溫度，被視為一種可行的光熱轉化催化材料構建方案。構建此類光熱協同催化材料還需要考慮制備方法的優化、活性組分的篩選、炭黑材料融入方式以及挑選適合的整體性載體，這些也是當前該研究方向需要解決的主要問題。

發明內容

針對上述技術問題以及本領域存在的不足之處，本發明提供了一種錳基光熱協同去除甲醛的整體式催化劑，主要組分包括氧化錳、三聚氰胺海綿、氧化石墨烯，通過簡單的沉淀法制備得到。該催化劑引入氧化石墨烯增加催化劑表面對可見光中近紅外波長的吸收，有效提高了催化劑的表面溫度。同時，選擇三聚氰胺海綿作為催化劑載體，三聚氰胺海綿光滑的骨架不適合金屬氧化物的負載，但是對于氧化石墨烯能夠形成一層致密炭黑層，并充分的覆蓋在三聚氰胺海綿的三維骨架結構表面，不僅增加了近紅外波長的吸收，也能夠促進氧化錳更易的負載在該炭黑層表面。此外，三聚氰胺海綿本身致密的三維骨架結構，還起到一定聚熱和熱傳動的效果，進一步增加催化劑整體的光熱轉化效能，從而達到甲醛在氧化錳表面催化氧化的反應溫度。