[发明专利]一种菱形六面体氧化铈材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于特殊形貌金属氧化物合成及大气治理技术领域，具体涉及一种菱形六面体氧化铈材料及其制备方法和在气态单质汞(Hg⁰)脱除中的应用。本发明以硝酸铈为原料，聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，通过超声辅助原料在水溶液中均匀反应。以尿素作为碱源调节pH，经微波，煅烧后获得菱形六面体氧化铈材料。本发明通过微波法制备氧化铈材料，不需要改造修饰，反应过程快速清洁，工序简单，节约能源。特殊的菱形六面体结构为材料提供丰富的棱角边缘，使其具有更多的结构缺陷及反应活性位点，低温活性及储氧量充分提升，催化性能优越。材料在大气脱汞中效果显著，纯氮气条件下，在温度为100‑300℃，处理含汞烟气(浓度～240μg m^‑3)的脱汞率可达98％。

技术领域

本发明属于特殊形貌的金属氧化物合成与大气处理技术领域，具体涉及一种菱形六面体氧化铈材料和制备方法，及其在烟气中Hg⁰脱除中的应用。

背景技术

气态单质汞(Hg⁰)因其毒性强，不溶于水且难处理的特性，成为目前大气污染中的突出问题。在已有的脱汞方法中，催化氧化法具有效率较高、设备简单、损耗小等方面的优势，成为近年来脱汞领域中的研究热点。在催化氧化脱Hg⁰的研究中，催化剂的设计和合成至关重要，当前研究主要集中在贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂上，但贵金属催化剂造价高，不适用于大规模推广，而过渡金属氧化物效率较低且容易中毒。与这两类催化剂相比，氧化铈材料因其良好的氧化还原能力(Ce³⁺/Ce⁴⁺的转化)和优越的储氧性能被认为是脱汞领域极具应用前景的催化剂。

但是目前氧化铈材料在进行脱汞应用中仍存在(1)催化活性较差，表面活性氧浓度不高，往往需要依靠一定浓度的氧气或氯化氢气体才能达到较好的脱汞效果；(2)活性温度偏高，需在300-400℃的反应温度范围内才会具有较高的Hg⁰氧化效率。而实际烟气条件往往会存在氧气含量波动大，烟气温度特别是除尘后温度较低(100-200℃)的情况，会限制氧化铈材料在烟气脱汞的实际应用。由此，开发合成方法快速清洁，优异的低温活性和储氧能力的氧化铈催化材料具有一定的现实意义。

研究表明调控氧化铈材料的形貌结构是提升其性能的有效方法，构造具有丰富棱角边缘的材料，能使其表面缺陷浓度增加，在催化反应过程中具有更多活性位点，有利于提升纯氧化铈材料的低温活性及储氧性能。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题。本发明的目的在于提供一种具有菱形六面体特殊形貌的氧化铈材料，及其简单、快速、重复性良好的制备方法，还提供了该材料在烟气脱汞中的应用。本发明制备的氧化铈材料形貌独特，具有高储氧量，催化性能优异，脱汞效果好，制备方法简单，使用方便。

本发明的目的是通过以下方式实现的。

一种菱形六面体氧化铈材料，粒径范围为800nm-2.5μm。

一种菱形六面体氧化铈材料的制备方法，包括如下步骤：将可溶性铈盐和表面活性剂加入去离子水中，超声处理至可溶性铈盐和表面活性剂分散均匀充分混合反应，然后加入尿素调节溶液pH值，搅拌下水解反应，之后在微波反应的同时进行搅拌和冷凝回流得到白色沉淀，沉淀物质洗涤，干燥，煅烧，即得粒径范围为800nm-2.5μm的菱形六面体氧化铈材料。

所述的可溶性铈盐为Ce(NO₃)₃·6H₂O，表面活性剂包括为聚乙烯吡咯烷酮。

所述的可溶性铈盐在混合反应体系中的浓度为0.03-0.06mol L^-1，表面活性剂在混合反应体系中的浓度为5-15g L^-1。

所述的超声处理温度为20-50℃，功率为300-1000W，时间15min以上，需超声至溶液完全澄清透明，可溶性铈盐和表面活性剂完全混合均匀为止。