CN110694629A - 一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂及其制备与应用。该方法为将钴盐、氟化铵和尿素和溶剂搅拌溶解均匀,转移到反应釜中,并放入洁净的泡沫镍,溶剂热条件下保温,得到氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体;转移至含有金属钴盐和有机桥连配体反应液中,静置或溶剂热下保持一段时间,得到产物用蒸馏水以及无水乙醇溶剂洗涤数次,烘干过夜,随后通过两段式煅烧得到金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂。该方法所制备的泡沫镍负载金属有机框架化合物的量大大的提高,覆盖面更加均匀,所制备的形貌更加均一;具有更强的催化氧化VOCs的能力;抗水性明显提高;在多次催化氧化循环后仍能保持良好的催化活性。
Description
技术领域
本发明属于材料化学,大气污染控制技术领域,涉及可挥发性有机废气(VOCs)催化氧化技术,特别涉及一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂及其制备与应用。
背景技术
挥发性有机化合物(VOCs)的排放是目前面临的重大环境问题之一,对自然环境和人体健康造成严重影响。催化氧化是处理VOCs最为广泛的处理技术之一,其中催化剂的制备是催化氧化的关键。高效的催化剂要求具备较大的表面积、较高的稳定性、较强的抗水性和易再生等特点。目前常用的工业催化剂存比表面积小、抗水性差、寿命短的缺点,因此急需研发一种更为高效、能迅速实现VOCs降解的催化剂。而金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂比传统粉末式催化剂具有较大的比表面积、整体性强、接触面积大、较高的吸附容量,为得到具有较高活性的整体式催化降解VOCs催化材料,制备基于金属有机框架整体式催化剂,能够提高催化剂的综合性能。
金属有机框架化合物近年来发展起来的一种高效的吸附材料,其中有机骨架因桥联配体的不同而表现出不同的孔径大小,从而使得这类金属有机框架化合物对气体具有更好的选择性,制备具有不同孔径大小的多孔金属有机框架也有利于提高吸附性能。有机桥连配体配体因其官能团不同,其对气体的选择性吸附也不同。更为重要的是,有机废气在金属有机框架化合物的吸附热较低,吸附过程所需温度较低,并且本身结构稳定,是有机废气较有潜力的吸附材料之一。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术如比表面积小,负载量低,稳定性较差,活性相对较低等的不足,提供一种全新的金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂的制备方法,所制备的整体式催化剂对VOCs具有良好的吸附催化降解性能。
为实现上述发明目的,本发明采用多孔三维网状泡沫镍为基底,通过调控金属盐,尿素等比例溶剂热条件下得到具有不同形貌的氢氧化钴负载在泡沫镍表面上的前驱体,后通过引入有机桥连配体面,并在常温或溶剂热条件下原位刻蚀,制备一种全新的金属有机框架整体式催化剂。
本发明技术方案如下:
一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,将钴盐、氟化铵和尿素和溶剂搅拌溶解均匀,随后将其转移到反应釜中,并放入洁净的泡沫镍,溶剂热条件下保温,得到氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体;随后将所制备的氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体,转移至含有金属钴盐和有机桥连配体反应液中,静置或溶剂热下保持一段时间,得到产物用蒸馏水以及无水乙醇溶剂洗涤数次,烘干过夜,随后通过两段式煅烧得到金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂。
上述方法包括如下两个步骤:
(1)氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体的制备:
称取钴盐,溶解在反应液中,加入尿素和氟化铵,于室温下搅拌溶解,待其溶液成淡红色,转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,随后将用稀盐酸清洗干净的泡沫镍至于反应釜中,进行水热反应,自然冷却至室温后,将其用蒸馏水清洗,干燥备用得到前驱体;
(2)不同金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备:
称取有机桥联配体于烧杯中,加入反应液以及金属钴盐,搅拌溶解均匀后转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,随后加入步骤(1)所制备的前驱体并盖上釜盖进行静止或者水热反应,自然冷却至室温后,将其用蒸馏水和无水乙醇清洗,真空干燥、通过两段式煅烧得到金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备。
上述方法中,步骤(1)中,所述钴盐为六水合硝酸钴、六水合硫酸钴或六水合氯化钴;所述钴盐的质量为2.5~3.0 g;所述反应液为水和乙醇,所述水体积为20~40 mL,无水乙醇体积为20~40 mL,其混合体积比为1:1;所述氟化铵质量为0.34~0.98 g;所述尿素质量为1.08~2.16 g。
上述方法中,步骤(1)中,所述室温搅拌的温度为28~36 ℃,所述搅拌速率为150~300 r/min;所述搅拌时间为0.5~1 h,所述水热反应的温度为120~140 ℃;所述水热反应的时间为12~24 h;所述干燥温度为60~80 ℃,所述干燥时间为8~12 h。
上述方法中,步骤(2)中,所述金属钴盐为六水合硝酸钴、六水合硫酸钴、六水合氯化钴或四水合乙酸钴;所述金属钴盐的质量为0.5~1.2 g;所述有机桥连配体为2-甲基咪唑,2’5-二羟基对苯二甲酸,对苯二甲酸或1’3’5-苯三甲酸;所述有机桥连配体质量为2.5~3 g;所述水热反应温度为30~160 ℃;所述水热反应时间为12~24 h;所述反应液为水,甲醇,N’N-二甲基甲酰胺中的一种以上;所述反应液添加量为40~60 mL。
上述方法中,步骤(2)中,所述干燥温度为60~80 ℃,干燥时间为8~12 h。
上述方法中,步骤(2)中,所述两段式煅烧方法为:在氮气条件下升温程序以2~5 ℃/min的速率从室温升至320~450 ℃,恒温3~5 h,随后关闭氮气通入空气以5~10 ℃/min的速率降至300~350 ℃,恒温3~4 h,最后以1~10 ℃/min速率降至室温。
一种催化剂为整体式负载型催化剂,该催化剂具有较大的比表面积,其表面积为85.5~282.8 cm-2 g-1;具有高效降解VOCs的性能,其甲苯的转化率T90为210~250 ℃左右;具有较强的抗水性,其在1~5 %的水蒸气存在下,甲苯的转化率能够保持在85~98 %左右;以及良好的稳定性,其在连续反应48 h,甲苯的转化率仍然能够维持在95~99 %左右。
一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂应用于大气污染控制领域。
与现有技术相比,本发明具有如下优势:
1. 通过将金属有机框架化合物原位负载在泡沫镍上,相对于粉体式催化剂,大大提高了催化剂材料的比表面积,且负载的金属有机框架化合物明显增加。
2. 所制得的金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂表现出较强的抗水性和较强的VOCs吸附能力,以及较高的催化氧化活性。
3. 所制得的金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂表现出对VOCs较高的选择性吸附能力。
4. 在多次催化氧化VOCs循环后仍能保持良好的稳定性能。
5. 制备过程简便易行,制备条件比较温和。
6.本发明提供的金属有机框架整体式催化剂,与传统常规合成方法相比,该方法所制备的整体式催化剂具有更大的比表面积;该方法所制备的泡沫镍负载金属有机框架化合物的量大大的提高,覆盖面更加均匀,所制备的形貌更加均一;具有更强的催化氧化VOCs的能力;抗水性明显提高;在多次催化氧化循环后仍能保持良好的催化活性。该金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备过程简便易行、条件温和,具有广泛应用前景。
附图说明
图1 为本发明实施例1制得的氢氧化钴负载在泡沫镍表面前驱体扫描电镜图。
图2为本发明实施例5制得的氢氧化钴负载在泡沫镍表面前驱体扫描电镜图。
图3 为本发明实施例1和实施例6制得的Co3O4-Co(OH)2@NF和Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂氮气吸脱附曲线。
图4为本发明制得的以实施例1和实施例6在煅烧之后得到Co3O4-Co(OH)2@NF和Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂对甲苯的催化活性图。
图5为本发明实施例6制得的Co3O4-MOF-74@NF剂整体式催化剂扫描电镜图。
图6为本发明实施例7制得的Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂泡沫镍整体式催化剂扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
称取0.9 g六水合硝酸钴、0.68 g氟化铵和2.16 g尿素分散于30 mL乙醇和30 mL去离子水混合液中,在室温下搅拌溶解,随后加入1片2*5 cm的多孔三维网状泡沫镍,后转移至反应釜中于120 ℃保温12 h,冷却至室温,过滤得到粉红色沉淀,用清水清洗3次,并用乙醇洗涤3次,在60 ℃烘下干过夜,得到氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体备用。在烧杯中称取3 g的2-甲基咪唑,加入60 mL甲醇,0.5 g六水合硝酸钴,搅拌溶解,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在烧杯中静置12 h,所得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-ZIF-67@NF整体式催化剂。
由图1可知,成功制备了Co3O4-Co(OH)2@NF前体整体式催化剂。由图3可知,Co3O4-Co(OH)2@NF的氮气吸附曲线,其表面积为27.5 cm-2 g-1,说明在没有负载有机框架化合物之前,其表面积明显比负载有机框架化合物之前小。
实施例2
实施例2的具体步骤与实施1基本相同,所不同的是,在烧杯中称取3 g的对苯二甲酸,1.0 g的乙酸钴,加入30 mL甲醇,30 mL N’N-二甲基甲酰胺,搅拌溶解,转移至反应釜中,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在反应釜中120 ℃保温24 h,得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-MOF-5@NF整体式催化剂。
实施例3
实施例3的具体步骤与实施1基本相同,唯一不同的是在于反应温度为140 ℃,保温24h,冷却至室温,过滤得到粉红色沉淀,用清水清洗3次,并用乙醇洗涤3次,在60 ℃烘下干过夜,得到氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体。在烧杯中称取3 g的2’5-二羟基对苯二甲酸,1.0 g四水合乙酸钴,加入20 mL甲醇,20 mL水,20 mL N’N-二甲基甲酰胺,搅拌溶解,转移至反应釜中,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在反应釜中120 ℃保温24 h,得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂。
实施例4
实施例4的具体步骤与实施1基本相同。其不同在于在烧杯中称取3 g的1,3,5-苯三甲酸配体,1 g的六水合硝酸钴,加入60 mL甲醇,搅拌溶解,转移至反应釜中,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在反应釜中160 ℃保温24 h,得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-HKUST@NF整体式催化剂。
实施例5
实施例5的具体步骤与实施1基本相同,唯一不同的是称取0.9 g六水合氯化钴得到氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体。在烧杯中称取3 g的2-甲基咪唑,加入60 mL甲醇,0.5g的硝酸钴,搅拌溶解,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在烧杯中静置12 h,得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-ZIF-67@NF整体式催化剂。
由图2可知,成功制备了氢氧化钴负载在泡沫镍上面的Co3O4-Co(OH)2@NF整体式催化剂。
实施例6
实施例6的具体步骤与实施1基本相同,所不同的是称取0.68 g的氟化铵和1.08 g尿素分散于30 mL甲醇和30 mL去离子水混合液中,在室温下搅拌溶解,随后加入1片2*5 cm的多孔三维网状泡沫镍,后转移至反应釜中于140 ℃保温24 h,冷却至室温,过滤得到粉红色沉淀,用清水清洗3次,并用乙醇洗涤3次,在60 ℃烘下干过夜,得到氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体。在烧杯中称取3 g的2’5-二羟基对苯二甲酸,0.5 g的四水合乙酸钴,加入20mL甲醇,20 mL水,20 mL N’N-二甲基甲酰胺,搅拌溶解,转移至反应釜中,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在反应釜中120 ℃保温24 h,得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂。
由图5可知,成功制备了金属有机框架化合物负载在泡沫镍上面的Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂。由图3可知,Co3O4-MOF-74@NF的氮气吸附曲线,其表面积为207.5 cm-2 g-1,说明前体物在负载有机框架化合物之前,其表面积明显比没有负载有机框架化合物之前大。
实施例7
实施例7的具体步骤与实施1基本相同,所不同的是称取0.34 g氟化铵和1.08 g尿素分散于30 mL甲醇和30 mL去离子水混合液中,在室温下搅拌溶解,随后加入1片2*5 cm的多孔三维网状泡沫镍,后转移至反应釜中于140 ℃保温24 h,冷却至室温,过滤得到粉红色沉淀,用清水清洗3次,并用乙醇洗涤3次,在60 ℃烘下干过夜,得到氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体。在烧杯中称取3 g的2’5-二羟基对苯二甲酸,0.5 g的四水合乙酸钴,加入20mL甲醇,20 mL水,20 mL N’N-二甲基甲酰胺,搅拌溶解,转移至反应釜中,将制备好的氢氧化钴负载在泡沫镍表面的前驱体放置在反应釜中120 ℃保温24 h,得到的产物,用蒸馏水洗涤并用乙醇洗涤多次,在60 ℃烘下干过夜,通过两段式煅烧,即升温程序先在氮气条件下以5 ℃/min的速率从室温升至400 ℃,恒温3.5 h,随后关闭氮气通入空气以10 ℃/min的速率降至350 ℃,恒温3.5 h,最后以10 ℃/min速率降至室温,得到Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂。
由图6可以,成功制备了有机框架化合物负载在泡沫镍上面的Co3O4-MOF-74@NF整体式催化剂。
实施例8
实施例8的具体步骤:通过测试样品对甲苯的降解率,来评价其活性,所用反应器为(ɸ6 mm)石英管。实验前称取0.1 g的样品以及0.4 g的石英沙混合均匀填充在石英管反应器中固定,随后通入1000 ppm 的甲苯于反应器中,20%(O2/N2)氮充氧为平衡气,重时空速为60000 mL g-1 h-1,在180~280 ℃进行活性评价。反应过程中甲苯的浓度变化最终以Online GC进行在线检测。其中,甲苯催化氧化降解率计算公式如下所示:
甲苯降解率 = [(甲苯)进口-(甲苯)出口]/(甲苯)进口;
其结果如图4所示,为实施例1所制备催化剂Co3O4-Co(OH)2@NF和实施例6所制备催化剂Co3O4-MOF-74@NF对甲苯催化氧化的活性图,其T50和T90分别为221,244以及227和264 ℃。表明后期将有机框架化合物负载在前体物上,其催化降解性能明显提高。
Claims (9)
1.一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,
将钴盐、氟化铵和尿素和溶剂搅拌溶解均匀,随后将其转移到反应釜中,并放入洁净的泡沫镍,溶剂热条件下保温,得到氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体;随后将所制备的氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体,转移至含有金属钴盐和有机桥连配体反应液中,静置或溶剂热下保持一段时间,得到产物用蒸馏水以及无水乙醇溶剂洗涤数次,烘干过夜,随后通过两段式煅烧得到金属有机框为牺牲模板架整体式催化剂。
2.按照权利要求1所述一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下两个步骤:
(1)氢氧化钴负载在泡沫镍上面的前驱体的制备:
称取钴盐,溶解在反应液中,加入尿素和氟化铵,于室温下搅拌溶解,待其溶液成淡红色,转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,随后将用稀盐酸清洗干净的泡沫镍至于反应釜中,进行水热反应,自然冷却至室温后,将其用蒸馏水清洗,干燥备用得到前驱体;
(2)不同金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备:
称取有机桥联配体于烧杯中,加入反应液以及金属钴盐,搅拌溶解均匀后转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,随后加入步骤(1)所制备的前驱体并盖上釜盖进行静止或者水热反应,自然冷却至室温后,将其用蒸馏水和无水乙醇清洗,真空干燥、通过两段式煅烧得到金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备。
3. 按照权利要求2所述一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述钴盐为六水合硝酸钴、六水合硫酸钴或六水合氯化钴;所述钴盐的质量为2.5~3.0 g;所述反应液为水和乙醇,所述水体积为20~40 mL,无水乙醇体积为20~40 mL,其混合体积比为1:1;所述氟化铵质量为0.34~0.98 g;所述尿素质量为1.08~2.16 g。
4. 按照权利要求2所述一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述室温搅拌的温度为28~36 ℃,所述搅拌速率为150~300 r/min;所述搅拌时间为0.5~1 h,所述水热反应的温度为120~140 ℃;所述水热反应的时间为12~24 h;所述干燥温度为60~80 ℃,所述干燥时间为8~12 h。
5. 按照权利要求2所述一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述金属钴盐为六水合硝酸钴、六水合硫酸钴、六水合氯化钴或四水合乙酸钴;所述金属钴盐的质量为0.5~1.2 g;所述有机桥连配体为2-甲基咪唑,2’5-二羟基对苯二甲酸,对苯二甲酸或1’3’5-苯三甲酸;所述有机桥连配体质量为2.5~3 g;所述水热反应温度为30~160 ℃;所述水热反应时间为12~24 h;所述反应液为水,甲醇,N’N-二甲基甲酰胺中的一种以上;所述反应液添加量为40~60 mL。
6. 按照权利要求2所述一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述干燥温度为60~80 ℃,干燥时间为8~12 h。
7. 按照权利要求2所述一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述两段式煅烧方法为:在氮气条件下升温程序以2~5 ℃/min的速率从室温升至320~450 ℃,恒温3~5 h,随后关闭氮气通入空气以5~10 ℃/min的速率降至300~350 ℃,恒温3~4 h,最后以1~10 ℃/min速率降至室温。
8.权利要求1~7所述制备方法制备得到的一种以金属有机框架为牺牲模板整,其特征在于,所述催化剂为整体式负载型催化剂,其表面积为85.5~282.8 cm-2 g-1;所述催化剂甲苯的转化率T90为210~250 ℃;所述催化剂在1~5 %的水蒸气存在下,甲苯的转化率能够保持在85~98 %;所述催化剂在连续反应48 h,甲苯的转化率仍然能够维持在95~99 %。
9.权利要求8所述制备方法制备得到的一种以金属有机框架为牺牲模板整体式催化剂应用于大气污染控制领域。
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