[发明专利]纳米复合材料催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种同时去除臭氧、VOCs和/或s-VOCs的纳米复合材料催化剂及其制备方法，属于环境催化技术领域。

背景技术

由于现代工业的发展，汽车保有量的增加以及现代居住环境和室内装修等，大量挥发性有机物被排放到空气中。而一些添加在材料中的助剂、卫生杀虫剂、不完全燃烧所产生的半挥发性有机物，由于其分子量大，沸点高，饱和蒸气压低，因此在环境中较挥发性有机物更难降解，存在的时间也更长。这些物质不但对大气环境造成了破坏，更直接危害人类的健康和生命安全。目前用于有机废气处理的技术主要包括：活性炭吸附、催化燃烧、生物膜分离、紫外光催化以及低温等离子技术。然而这些技术在实际应用中，都存在一定的缺点，活性炭吸附技术只能将有害物吸附储存，而不能将其分解或去除，一旦饱和则失去效果；催化燃烧所需的设备结构复杂，成本较高，另外燃烧所造成的高能耗也限制了此项技术的发展；生物膜分离技术去除有机物时往往由于膜的堵塞而失效。而紫外光催化和与上述技术相比，紫外光催化和低温等离子技术可以高效地将VOCs和/或s-VOCs转化为水和二氧化碳，但同时也会产生有害副产物臭氧。而臭氧也是一种对人体健康有巨大危害的，长时间暴露在低浓度臭氧环境中，会对眼睛黏膜和肺组织等具有刺激作用，能破坏肺的表面活性物质，引起肺水肿、哮喘等，并可损害中枢神经系统。还能使人体甲状腺功能受损，使骨骼钙化，甚至引起潜在性的全身影响。因此，有必要开发设计一种催化剂，将其置于紫外光催化与低温等离子体的末端，分解其产生的臭氧，并氧化残留的VOCs和/或s-VOCs，实现VOCs、s-VOCs和臭氧的同时去除。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为201410365193.0，名称为：降解臭氧协同去除VOCs的催化剂及其制备方法和应用，该申请公开了一种以活性炭为载体，以锰氧化物为主活性组分，以稀土金属氧化物为助活性组分的负载型催化剂。该催化剂可以有效分解臭氧，并在常温下催化氧化微量挥发性有机物。但是，上述催化剂的合成工艺复杂、制备周期长，合成出的活性炭与锰氧化物之间没有实现纳米尺度的接触，无法实现高效的吸附催化去除作用，合成过程消耗了较多的原材料，不能催化氧化大量挥发性有机物，而不利于工业化的应用。同时锰氧化物多以纳米颗粒负载形式负载在吸附剂上，从而有可能导致臭氧对于碳材料的侵蚀作用。因此本发明工作所制备的催化剂能够实现金属氧化物与催化剂载体在纳米尺度接触，同时由于能形成有效的核壳结构，从而可以实现高效地吸附催化去除作用以及对于内核碳材料的保护作用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种同时去除臭氧、VOCs和/或s-VOCs的纳米复合材料催化剂及其制备方法、用途。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种纳米复合材料催化剂，其由载体和固载于所述载体中的催化活性成分组成，所述载体为水热处理过的活性炭或多孔碳纳米球，所述催化活性成分锰氧化物或掺杂有金属氧化物的锰氧化物，所述金属氧化物包括铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、铜氧化物、锌氧化物、铝氧化物、铈氧化物、锡氧化物中的至少一种。

作为优选方案，所述载体的制备方法包括如下步骤：

将碳源溶解于去离子水和无水乙醇的混合液中后，依次进行超声处理和加热保温，再经洗涤干燥，得到载体，所述加热的温度为160～200℃。

第二方面，本发明提供了一种如权利要求1所述的纳米复合材料催化剂的制备方法，其包括如下步骤：

将锰氧化物前驱体溶液与载体溶液进行反应，得到由载体和锰氧化物组成的纳米复合材料催化剂；或

将锰氧化物前驱体与水热处理过的载体进行反应后，得到负载有锰氧化物的载体；

分别金属氧化物前驱体和负载有锰氧化物的载体分散于去离子水中，得到金属氧化物前驱体溶液和载体分散液；

将所述金属氧化物载体溶液加入载体分散液中，搅拌0.5～10h后，清洗、干燥，得到粉体，即由载体和掺杂有金属氧化物的锰氧化物组成的纳米复合材料催化剂。

作为优选方案，所述由载体和掺杂有金属氧化物的锰氧化物组成的纳米复合材料催化剂的制备还包括如下步骤：

将所述粉体在惰性气氛下，于350～750℃进行煅烧。惰性气氛煅烧目的是进一步晶化，活性和选择性会更好。

作为优选方案，所述载体溶液的制备方法为：

将0.005～5g活性炭或多孔碳纳米球超声分散于5～500mL去离子水中，即得载体溶液。

作为优选方案，所述锰氧化物前驱体溶液的制备方法为：