[发明专利]一种催化燃烧用钙钛矿及其制备方法

说明书

本发明涉及一种催化燃烧用钙钛矿及其制备方法，该钙钛矿为三维有序分级多孔钙钛矿ABO₃，三维有序大孔结构通过胶体晶体模板法制得，介孔结构通过选择性溶解法引入，其中三维有序大孔的尺寸为200～500nm，介孔尺寸为3～10nm；其中A位元素为稀土或碱土金属元素，B位元素为过渡金属。本发明首先通过胶体晶体模板法得到三维有序大孔钙钛矿，再通过选择性溶解法引入介孔得到三维有序分级多孔结构。其三维有序的分级孔道结构使得催化剂活性中心与反应底物充分接触、降低传质阻力、增加比表面积、促进反应气体在催化剂比表面富集从而提升催化燃烧性能。本发明原料来源广泛、成本低、制备工艺简单，能在提高催化活性的同时降低成本。

技术领域

本发明涉及一种催化燃烧用钙钛矿及其制备方法，具体涉及一种催化燃烧用三维有序分级多孔钙钛矿及其制备方法，属于催化燃烧和环境保护技术领域。

背景技术

柴油车排放的尾气中含有大量的碳烟颗粒物，对环境和人体具有极大的危害。随着科技的发展，越来越多的机动车投入使用，柴油车尾气中颗粒物的处理一直被广泛关注和研究。

安装颗粒捕集器(DPF)能有效拦截尾气中的碳烟颗粒，减少碳烟颗粒的排放。然而，碳烟颗粒燃烧温度一般高于600℃，而柴油机尾气温度只有400℃，无法去除碳烟颗粒。滞留的碳烟颗粒会堵塞DPF，导致其背压升高，影响柴油机的工作效率。因此，亟需开发一种高效催化剂，降低碳烟的燃烧温度，实现DPF的再生。

贵金属催化剂(Ag、Au、Pd和Pt等)具有较强的催化活性，在催化燃烧领域被广泛应用。然而由于其储量稀少、价格昂贵，当前研究的重点逐渐转移至非贵金属催化剂。钙钛矿型金属氧化物(ABO₃)具有优异的热稳定性、抗中毒能力和良好的催化活性备受研究者们关注。通常情况，钙钛矿型氧化物的A位为碱金属、碱土金属或者稀土金属(如K、Ca、Sr、La和Pr等)；而B位为过渡金属(如Fe、Mn、Co、Ni和Ti等)。此外钙钛矿型氧化物具有“化学可裁剪性”，通过A位或B位元素的取代构筑具有缺陷位的钙钛矿，能进一步提升其催化活性，这也使得钙钛矿型催化剂更有研究价值和空间。

借助现代纳米技术进一步调控钙钛矿的孔结构，可实现其催化性能的提升，已经成为目前研究的热点。Zhao等人(Chinese Journal of Catalysis.2019,40:722-732)通过胶体晶体模板法制备了三维有序大孔钾掺杂的镍酸镧，考察钾的掺杂量对其催化燃烧碳烟性能的影响。Dai等人(Applied Catalysis A:General.2013,458:11-20)制备了三维有序大孔Co₃O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃催化剂用于甲苯催化燃烧。上述两种钙钛矿材料均采用胶体晶体模板法制备，具有均一的孔道结构、较大的孔尺寸，有利于反应物的扩散和传输，增加催化剂和反应物的接触效率。然而该方法制备的钙钛矿孔结构单一，比表面积较小，无法满足实际应用需求。

选择性溶解法是利用金属离子在酸或碱中溶解度不同，使得样品中部分金属离子溶解溢出，实现材料表面介孔结构的构筑。针对钙钛矿材料，采用掺杂的方式在钙钛矿A位或B位引入其它元素并通过选择性溶解的方式除去，通过调变制备工艺参数在维持三维有序大孔结构稳定的同时实现介孔的定向、定量引入，构筑出具有多维度、多尺度孔道结构的三维有序分级多孔钙钛矿材料。一方面大孔结构能够捕捉碳烟颗粒，提高碳烟与催化剂的接触效率；另一方面介孔的引入以及比表面积的增加能够促进反应气体在催化剂表面富集，极大地提高了催化剂的催化活性。因此通过胶体晶体模板法和选择性溶解法可以实现三维有序分级多孔钙钛矿的制备，并实现碳烟在低温下的高效脱除。

发明内容

本发明所解决的主要技术问题在于提供一种催化燃烧用钙钛矿及其制备方法，该材料对碳烟颗粒燃烧具有很高的催化活性。同时该材料制备工艺简单、成本低、稳定性好，能够大规模推广与应用。