CN110038555A - 一种水钠锰矿型锰氧化物催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水钠锰矿型锰氧化物催化剂材料的制备方法及在炭烟颗粒催化燃烧中的应用。本发明提供了一种具有水钠锰矿型锰氧化物催化剂的制备方法，首先，该材料是具有水钠锰矿型结构的锰氧化物催化剂材料，其中，所述锰氧化物材料为K₂Mn₄O₈，所述锰氧化物催化剂为K：Mn：O为2:4:8的摩尔比的催化剂材料，该锰氧化物催化剂主要利用成本低廉的高锰酸钾和葡萄糖为原料，以葡萄糖作为还原剂的简单的制备方法进而得到具有较高氧化还原性能的水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂。本发明所涉及的制备方法具有无需特殊设备和苛刻条件，制备的水钠锰矿型锰氧化物催化剂具有制备工艺简单、实用性强、容易实现规模化生产的优点。

Description

一种水钠锰矿型锰氧化物催化剂的制备方法及应用

技术领域

本发明属于催化剂材料制备技术领域，特别涉及一种水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂材料的制备方法与应用。

背景技术

与汽油发动机相比，柴油发动机具有更高的经济性、低的排放量和更好的耐久性等显著的优点，因而柴油发动机成为了汽车和轮船发动机的理想选择。但是，柴油发动机排放出大量的炭烟颗粒对环境造成严重的污染。同时，炭烟颗粒又是强致癌物苯并芘、硝基稠环芳烃的载体，对人身健康危害极大。因此，控制柴油机尾气炭烟颗粒物排放是柴油车尾气催化净化的一个重要任务，也成为环境催化研究的重点方向之一。当前，控制炭烟颗粒排放的主要技术有：柴油的清洁化、发动机的改良和尾气排放后处理技术。其中，尾气排放后处理技术是去除炭烟颗粒最为有效的方式之一。

目前，尾气排放后处理技术去除炭烟颗粒的方法主要是通过颗粒过滤器(DPF)捕获炭烟颗粒进而达到消除炭烟颗粒的目的。由于炭烟颗粒的自燃温度为550-600℃高于柴油机尾气排放口的温度(150-450℃)，因此捕获后的炭烟颗粒需要利用再加热、喷油燃烧或者催化剂催化燃烧等方式消除。其中，催化剂催化燃烧技术是将催化剂涂覆在DPF上，利用催化剂的低温催化活性将炭烟颗粒在尾气排气温度范围内(150-450℃)氧化成二氧化碳，达到去除炭烟颗粒的目的。目前，制约该技术广泛应用的主要因素是高性能催化剂的研发。

炭烟催化燃烧是一个气-固-固三相的深度氧化反应，提高催化剂的本征的活性可以有效的提高催化剂的活性。基于此，提高催化剂催化燃烧炭烟颗粒的活性需要考虑设计和制备高氧化还原性能的催化剂，因此，采用低成本原料制备出具有高活性的催化剂显得尤为重要。本发明利用成本低廉的高锰酸钾和葡萄糖为原料并利用葡萄糖为还原剂的简单制备方法得到的水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂具有制备工艺简单、实用性强、容易实现规模化生产的优点。

水钠锰矿型锰氧化物是由三价锰离子Mn³⁺及四价锰离子Mn⁴⁺和碱金属离子或碱土金属离子共同组成的一种复合氧化物。(I.Atribak,A.Bueno-Lo′pez,A.Garc1′a-Garc1′a,P.Navarro,D.Fr1′as,M.Montes.Applied Catalysis B:Environmental 2010,93,267)由于其氧化还原能力强、催化效率高、价格低廉等优点，引起了人们的广泛关注与研究。研究表明，水钠锰矿型锰氧化物催化剂常见的方法有：水热法、溶液反应法、固相法等(ActaPhys.Chim.Sin.2013,29,1681-1690；New J.Chem.,2018,42,3714-3721)。而本发明提供的一种简单的制备方法，是采用葡萄糖作为还原剂，与高锰酸钾进行氧化还原反应，制备出具有高氧化还原性能且摩尔比为K：Mn：O为2:4:8的水钠锰矿型锰氧化物催化剂，制备的水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂具有制备工艺简单、实用性强、容易实现规模化生产的优点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂材料的制备方法，该催化剂材料具有K：Mn：O为2:4:8的摩尔比；

本发明的目的之二在于提供一种操作简便的制备水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂材料的方法；

本发明的目的之三在于将所制备的水钠锰矿型锰氧化物K₂Mn₄O₈催化剂应用于炭烟颗粒的催化燃烧反应中；

为达到上述目的，本发明提供了一种简单的制备水钠锰矿型锰氧化物K₂Mn₄O₈催化剂的方法。该方法的创新性在于以廉价的葡萄糖作为还原剂来制备水钠锰矿型锰的氧化物K₂Mn₄O₈催化剂并将其作为催化剂催化燃烧炭烟颗粒。

其步骤如下：

按化学计量比称取定量的高锰酸钾、葡萄糖分别于一定量的水中溶解完全，后将其混合置于搅拌器上搅拌，其中，搅拌时间为1-4h，高锰酸钾的用量为0.1-5g；水的用量为10-50mL；葡萄糖的用量为0.5-10g。搅拌后的溶液置于60-80℃烘箱中烘干12-24h，将烘干后样品置于马弗炉中450-900℃煅烧2-10h后得到水钠锰矿型锰氧化物K₂Mn₄O₈催化剂材料。

本发明的有益效果是：

本发明是一种以成本低廉的高锰酸钾和葡萄糖为原料，以葡萄糖作为还原剂的制备方法，具有制备工艺简单、原料易得、成本低、实用性强、容易实现规模化生产的优点。该方法制备出的催化剂具有较高的催化活性，其中在390℃以下可以将炭烟颗粒进行完全去除。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1不同煅烧温度条件下制备的K₂Mn₄O₈催化剂XRD图；

图2为实施例2不同化学计量比的原料用量条件下制备的K₂Mn₄O₈催化剂XRD图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施1

不同煅烧温度条件下K₂Mn₄O₈催化剂的制备

按化学计量比称取定量的高锰酸钾0.1-5g、葡萄糖0.5-10g分别置于烧杯内放入10-50mL的水中溶解完全，后将其混合置于搅拌器上搅拌，搅拌时间为1-4h。搅拌后的溶液置于60-80℃烘箱中烘干12-24h，将烘干后样品置于马弗炉中450、550、650、750、850℃煅烧2-10h后得到一系列水钠锰矿型锰的氧化物K₂Mn₄O₈催化剂。图1为制备的不同煅烧温度条件下制备的K₂Mn₄O₈催化剂XRD图，由图可以看出制备的催化剂均为水钠锰矿型锰的氧化物K₂Mn₄O₈催化剂。表1为不同煅烧温度条件下制备的K₂Mn₄O₈催化剂催化燃烧炭烟颗粒的活性，不同的煅烧温度下制备的催化剂对炭烟颗粒的燃烧均具有较好的活性。

表1不同煅烧温度条件下K₂Mn₄O₈催化剂催化燃烧炭烟颗粒的活性

具体实施2

不同化学计量比的原料用量条件下K₂Mn₄O₈催化剂的制备分别按葡萄糖：高锰酸钾为0:1、1:1、2:1、3:1的化学计量比称取定量的高锰酸钾0.1-5g、葡萄糖0-10g分别置于烧杯中，随后加入10-50mL的水中溶解完全，后将其混合置于搅拌器上搅拌，搅拌时间为1-4h。搅拌后的溶液置于60-80℃烘箱中烘干12-24h，将烘干后样品置于马弗炉中450-900℃煅烧2-10h后得到水钠锰矿型锰的氧化物K₂Mn₄O₈催化剂材料。图2为不同化学计量比的原料用量条件下制备的K₂Mn₄O₈催化剂XRD图，由图可以看出制备的催化剂均为水钠锰矿型锰的氧化物K₂Mn₄O₈催化剂。表2为不同化学计量比原料用量条件下的K₂Mn₄O₈催化剂催化燃烧炭烟颗粒的活性，不同化学计量比的原料用量条件下的制备的K₂Mn₄O₈催化剂对炭烟颗粒的燃烧均具有较好的活性。

表2为不同化学计量比的原料用量条件下的制备的K₂Mn₄O₈催化剂催化燃烧炭烟颗粒的活性

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种水钠锰矿型锰氧化物催化剂材料，其特征在于，该材料是K、Mn、O按照一定的摩尔比构成。

2.如权利要求1所述的水钠锰矿型锰氧化物催化剂材料，其特征在于，其中，K：Mn：O的摩尔比为2:4:8。

3.如权利要求1-2所述的水钠锰矿型锰氧化物催化剂材料，其特征在于，制备所需的原料是高锰酸钾、葡萄糖和水。

4.如权利要求1-3任一项所述的材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按化学计量比称取定量的高锰酸钾、葡萄糖分别于一定量的水中溶解完全，后将其混合置于搅拌器上搅拌，其中，搅拌时间为1-4h，高锰酸钾的用量为0.1-5g；水的用量为10-50mL；葡萄糖的用量为0.5-10g；搅拌后的溶液置于60-80℃烘箱中烘干12-24h，将烘干后样品置于马弗炉中450-900℃煅烧2-10h后得到水钠锰矿型K₂Mn₄O₈锰氧化物催化剂材料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将烘干后样品置于马弗炉中是以1-10℃/min以下的升温速率程序升温至450-900℃，煅烧时间为2-10h。

6.如权利要求1-5所述的水钠锰矿型锰氧化物催化剂材料用于柴油机尾气炭烟颗粒的催化燃烧。