CN105597775A - 一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂以及制备方法和应用 - Google Patents

一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂以及制备方法和应用 Download PDF

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余翔
洪亚军
王淑媛
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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂,以石墨烯为载体,所述石墨烯载体上负载有Cu-Mn-Ce复合氧化物。本发明还公开了上述石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:将氧化石墨加入水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入硝酸铈、乙醇和乙酸得到混合物,然后将混合物加热后分离得到沉淀;再将得到的沉淀加入碱液中,加热反应后加入稀酸中和,最后用洗涤过滤后烘干得到固体;最后将得到的固体与高锰酸钾、硝酸锰和硝酸铜混合形成固体混合物,加水并搅拌使固体混合物完全溶解形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中加热;本发明的催化剂低温活性高,原料价格低廉而且来源广泛,通过不同的铈、铜、锰原子比,获得最适合较低温催化燃烧的催化剂,将具有很大的应用价值与广阔的应用前景。

Description

一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂以及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域,特别是涉及一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂以及制备方法和应用。
背景技术
挥发性有机废气(VOCs)是指沸点在50~260℃、室温下饱和蒸气压超过133.3Pa的易挥发性有机化合物,其主要成分为烃类、硫化物、氨等。有机废气是有害人体健康的污染物质,它与大气中的NO2反应生成O3,可形成光化学烟雾,并伴随着异味、恶臭散发到空气中,对人的眼、鼻和呼吸道有刺激作用,对心、肺、肝等内脏及神经***产生有害影响,有些则是影响人体某些器官和机体的***反应源,甚至造成急性和慢性中毒,可致癌、致突变,同时可导致农作物减产。
近年来涂装、制鞋业、印刷和精细化工等行业的迅速发展,芳烃类有机化合物排放量逐渐增加,对环境和人类健康构成很大威胁。因此,VOCs处理越来越受到各国的重视,VOCs已成为大气污染控制中的一个热点。
低温催化燃烧是一种新型处理工业废气的技术,它能在较低温度下对低浓度的有机污染物进行处理。目前在低温催化剂中运用较多的为贵金属,成本较高且资源有限,在工业运用中产生了很大的局限性。因此,寻求材料简单同时具有高效的催化剂是现今国内外研究的热点。在已公开的催化剂配方中,多用贵金属负载金属混合氧化物,而金属混合氧化物的研究主要集中在对甲苯燃烧催化性能较好的Cu、Mn、Co复合氧化物和添加稀土元素的改性催化剂上。
公开号为CN103157501A的中国专利文献公开了一种催化湿式氧化水中有机污染物的催化剂的制备方法,采用介孔SBA-15分子筛进作为载体,其具有水热稳定性好、比表面积大的特点,以CuO为活性组分,在制备过程中采用超声作用一段时间,促进活性组分的分散。但SBA-15在原料上较石墨烯复杂并且比表面积并没有石墨烯大。
新型高效载体石墨烯拥有超大的比表面积,可提高催化剂的负载量,降低VOCs的起燃点,同时原料获取方便,引起了广泛关注,公布号为CN104707619A的中国专利文献公开了一种石墨烯/Cu-Mn-Ti复合催化剂,以石墨烯为载体,并在石墨烯载体上负载有活性组分,所述活性组分为Cu-Mn-Ti复合氧化物,其中Cu:Mn:Ti=1~3:1~3:1~3。还公开了该石墨烯/Cu-Mn-Ti复合催化剂的制备方法,首先将氧化石墨加入水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入钛酸丁酯、乙醇和乙酸得到混合物,然后将混合物在60~70℃下加热4~8h后分离得到沉淀;将沉淀加入碱液中,加热反应后加入稀酸中和,洗涤过滤后烘干得到固体;固体与高锰酸钾、硝酸锰和硝酸铜混合形成混合物,加入水并搅拌使混合物完全溶解于水中形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中加热并反应。
虽然上述的催化剂具有低温活性较高,原料价格低廉的优点,但是降解效果仍具有较大的提升空间。
发明内容
本发明提供了一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂,催化活性高、可在较低温度下进行反应,且原料价格低廉且获取方便。
一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂,以石墨烯为载体,所述石墨烯载体上负载有Cu-Mn-Ce复合氧化物。
石墨烯是一种六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料,其优良的载流子迁移率、极高的比表面积和良好的透明性是作为载体优良的性质。因此,石墨烯可以提高物质在通过催化剂时候的吸附效率,而活性较强的Cu-Mn-Ce复合氧化物是降低催化燃烧温度的关键。
发明人发现Cu-Mn-Ce复合氧化物中铜原子、锰原子和铈原子的比例对催化剂的低温活性有明显的影响,发明人经过试验确认了活性较高的比例,优选地,所述Cu:Mn:Ce=1~8:1~8:0.3~1。
本发明还提供了一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,制备上述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂。
一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将氧化石墨加入水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入硝酸铈、乙醇和乙酸得到混合物,然后将混合物加热后分离得到沉淀;
(2)将步骤(1)得到的沉淀加入碱液中,加热反应后加入稀酸中和,洗涤过滤后烘干得到固体;
(3)将步骤(2)得到的固体与高锰酸钾、硝酸锰和硝酸铜混合形成混合物,加水并搅拌使混合物可溶解物完全溶解形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中常压加热,最后依次经过过滤、洗涤、干燥和煅烧制得石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂。
其中,硝酸铈、高锰酸钾、硝酸锰和硝酸铜的比例根据最终产品中铜原子、锰原子和铈原子的比例进行调配。
步骤(1)和(3)中所用的水优选为去离子水或者蒸馏水。步骤(2)中所用的稀酸可以采用稀盐酸、稀硫酸或者稀硝酸。步骤(2)中所用的碱液可以采用浓度较低的氢氧化钠或者氢氧化钾。
步骤(1)中所述的氧化石墨可以直接购买获得。由于氧化石墨吸湿性强,购买获得使用前需烘干。
氧化石墨还可以采用如下方法制备:
将石墨粉在搅拌下缓慢加入浓硫酸,维持温度在5℃以下,石墨粉为经过粉碎筛分成8000目后使用。然后加入硝酸钠和高锰酸钾,在10℃以下搅拌反应后在35℃恒温水浴30min,然后将水浴温度缓慢升至98℃,在98℃下维持15min之后用同样温度的水进行稀释,然后加入浓度为30%的H2O2,过滤,用5%稀盐酸洗涤后干燥24h,制得氧化石墨。
由于氧化石墨吸湿性强,若是购买获得使用前需烘干,较为理想的是现场制备氧化石墨。
步骤(1)中超声搅拌过程不仅使氧化石墨剥离成具有单一原子层的氧化石墨烯,而且使氧化石墨烯在水中稳定、均匀地分散。优选的,步骤(1)中加热条件为:在80~85℃下加热2~3h。
步骤(2)中有CeO2和石墨烯同时生成。优选的,步骤(2)中加热条件为:在120~125℃下循环加热10~11h。
步骤(3)所用的高锰酸钾、硝酸锰和硝酸铜均为固体,所述混合物为固体混合物。优选的,步骤(3)中固体混合物在加水前还进行超声振荡20~40min。进行超声振荡不仅可以使固体颗粒变得更细,还能充分将步骤(2)得到的固体与高锰酸铜、硝酸锰和硝酸铈混合,有利于Cu-Mn-Ce复合氧化物在石墨烯上的负载。
优选的,步骤(3)中加热条件为:在185~190℃下加热9~9.5h。
优选的,步骤(3)中干燥条件为90~120℃下干燥20~50min,煅烧条件为300~500℃煅烧3~6h。
本发明还提供了一种采用上述石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂催化降解有机废气的方法,将定量的上述石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂装入反应器催化有机废气进行降解反应,所述降解反应的温度为50~400℃。
作为Cu-Mn-Ce复合氧化物中铜原子、锰原子和铈原子比例的进一步优选,所述Cu:Mn:Ce=7~8:7~8:1,所述降解反应的温度为300~400℃。上述比例的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂使用时,反应的降解温度在300~400℃之间具有最优的降解效果。
作为Cu-Mn-Ce复合氧化物中铜原子、锰原子和铈原子比例的进一步优选,所述Cu:Mn:Ce=3~5:3~5:1,所述降解反应的温度为50~275℃。上述比例的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂使用时,反应的降解温度在50~275℃之间具有最优的降解效果。
本发明的有益效果在于:
保证在催化燃烧降解苯系物的同时温度低于工业上已投入使用的大部分催化剂,通过不同的铈、铜、锰原子比,获得最适合较低温催化燃烧的催化剂,投入实际生产将具有很大的应用价值与广阔的应用前景。
附图说明
图1为分别采用实施例1~4获得的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂在不同温度下降解甲醛的曲线图。
图2为实施例4获得的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的SEM图。
图3为图2放大后的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以下实施例中所用试剂均为分析纯。
氧化石墨可以购买或是通过以下方法制备:
将1g_8000目石墨粉在搅拌下缓慢加入15ml浓硫酸于500ml烧杯中,维持温度在5℃以下,然后加入0.5硝酸钠和3g高锰酸钾,在10℃以下搅拌反应后在35℃恒温水浴30min,然后将水浴温度缓慢升至98℃,在98℃下维持15min之后用同样温度的水稀释至160ml,加入10ml浓度30%H2O2,过滤,用5%稀盐酸洗涤后干燥24h,制得氧化石墨备用。
实施例1
本实施例的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取25mg制备的氧化石墨加入70ml去离子水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入4.4mmol硝酸铈、30ml乙醇和35ml乙酸得到混合物,然后将混合物在80℃下加热4h,然后分离得到沉淀;
(2)将步骤(1)得到的沉淀加入100ml浓度10mol/l氢氧化钠溶液,并在防腐蚀容器中120℃条件下循环加热11h,然后加入稀盐酸中和,最后用去离子水洗涤过滤后烘干得到固体;
(3)将步骤(2)得到的固体与3.2mmol高锰酸钾、1.2mmol硝酸锰和4.4mmol硝酸铜混合形成固体混合物,对固体混合物超声振荡30min,加入70ml蒸馏水并搅拌使固体混合物中可溶物完全溶解形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中190℃加热9h,过滤洗涤后在105℃下干燥30min,最后在400℃下煅烧5h制得石墨烯/Cu-Mn-Ce(1:1:1)复合催化剂。
实施例2
本实施例的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取25mg制备的氧化石墨加入70ml去离子水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入2.2mmol硝酸铈、25ml乙醇和30ml乙酸得到混合物,然后将混合物在85℃下加热3h,然后分离得到沉淀;
(2)将步骤(1)得到的沉淀加入100ml浓度10mol/l氢氧化钠溶液,并在防腐蚀容器中125℃条件下循环加热10h,然后加入稀盐酸中和,最后用去离子水洗涤过滤后烘干得到固体;
(3)将步骤(2)得到的固体与3.2mmol高锰酸钾、1.2mmol硝酸锰和4.4mmol硝酸铜混合形成固体混合物,对固体混合物超声振荡30min,加入70ml蒸馏水并搅拌使固体混合物完全溶解形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中195℃加热9h,过滤洗涤后在105℃下干燥30min,最后在400℃下煅烧5h制得石墨烯/Cu-Mn-Ce(2:2:1)复合催化剂。
实施例3
本实施例的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取25mg制备的氧化石墨加入70ml去离子水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入1.1mmol硝酸铈、25ml乙醇和30ml乙酸得到混合物,然后将混合物在85℃下加热3h,然后分离得到沉淀;
(2)将步骤(1)得到的沉淀加入100ml浓度10mol/l氢氧化钠溶液,并在防腐蚀容器中120℃条件下循环加热11h,然后加入稀盐酸中和,最后用去离子水洗涤过滤后烘干得到固体;
(3)将步骤(2)得到的固体与3.2mmol高锰酸钾、1.2mmol硝酸锰和4.4mmol硝酸铜混合形成固体混合物,对固体混合物超声振荡30min,加入70ml蒸馏水并搅拌使固体混合物完全溶解形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中185℃加热9.5h,过滤洗涤后在105℃下干燥30min,最后在400℃下煅烧5h制得石墨烯/Cu-Mn-Ce(4:4:1)复合催化剂。
实施例4
本实施例的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取25mg制备的氧化石墨加入70ml去离子水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入0.55mmol硝酸铈、25ml乙醇和30ml乙酸得到混合物,然后将混合物在85℃下加热3h,然后分离得到沉淀;
(2)将步骤(1)得到的沉淀加入100ml浓度10mol/l氢氧化钠溶液,并在防腐蚀容器中125℃条件下循环加热10h,然后加入稀盐酸中和,最后用去离子水洗涤过滤后烘干得到固体;
(3)将步骤(2)得到的固体与3.2mmol高锰酸钾、1.2mmol硝酸锰和4.4mmol硝酸铜混合形成固体混合物,对固体混合物超声振荡30min,加入70ml蒸馏水并搅拌使固体混合物完全溶解形成溶液,然后将溶液转移到反应釜中185℃加热9.5h,过滤洗涤后在105℃下干燥30min,最后在400℃下煅烧5h制得石墨烯/Cu-Mn-Ce(8:8:1)复合催化剂。
下面对以上实施例制得催化剂进行性能测试。
测试方法为:
取实施例1~4得到的催化剂各2mL,分别置于连续流动固定床反应器中,反应气组成为:364ppm甲苯和纯氧气作为反应器以及载气,反应气的流速为600mL/min,空速为18000h-1。活性评价温度为50~400℃,不同温度下,催化剂还原甲苯的转化率见表1。
表1石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂对甲苯的降解率
通过表1和图1对数据进行分析,可以发现当Cu:Mn:Ce=8:8:1,T50=130℃,400℃时甲苯基本降解完全,其效果不逊色用贵金属作为载体的催化剂,并且起燃温度高于贵金属,高温降解效率可持平,但低温降解效率优于贵金属催化剂。
对表现较好的石墨烯/Cu-Mn-Ce(8:8:1)复合催化剂进行SEM电镜表征,如图2和3所示。

Claims (10)

1.一种石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂,以石墨烯为载体,其特征在于,所述石墨烯载体上负载有Cu-Mn-Ce复合氧化物。
2.如权利要求1所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂,其特征在于,所述Cu:Mn:Ce=1~8:1~8:0.3~1。
3.一种如权利要求1或2所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将氧化石墨加入水中并超声搅拌均匀,在搅拌条件下加入硝酸铈、乙醇和乙酸得到混合物,然后将混合物加热后分离得到沉淀;
(2)将步骤(1)得到的沉淀加入碱液中,加热反应后加入稀酸中和,洗涤过滤后烘干得到固体;
(3)将步骤(2)得到的固体与高锰酸钾、硝酸锰和硝酸铜混合形成混合物,加水并搅拌使混合物溶解形成溶液,然后将溶液加热,最后依次经过过滤、洗涤、干燥和煅烧制得石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂。
4.如权利要求3所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中加热条件为:在80~85℃下加热2~3h。
5.如权利要求3所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中加热条件为:在120~125℃下循环加热10~11h。
6.如权利要求3所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中固体混合物在加水前还进行超声振荡20~40min。
7.如权利要求3所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中加热条件为:在185~190℃下加热9~9.5h。
8.一种降解有机废气的方法,其特征在于,将如权利要求1或2所述的石墨烯/Cu-Mn-Ce复合催化剂装入反应器催化有机废气进行降解反应,所述降解反应的温度为50~400℃。
9.如权利要求8所述的降解有机废气的方法,其特征在于,所述Cu:Mn:Ce=7~8:7~8:1,所述降解反应的温度为300~400℃。
10.如权利要求8所述的降解有机废气的方法,其特征在于,所述Cu:Mn:Ce=3~5:3~5:1,所述降解反应的温度为50~275℃。
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