[发明专利]一种棉碳纤维整体型催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种棉碳纤维整体型催化剂及其制备方法和应用。本发明特点在于以棉花为原材料，经金属盐溶液处理后得到催化剂前驱体，经过保护气体下煅烧得到金属或金属氧化物负载的碳纤维整体型催化剂。由发明制备的金属或金属氧化物负载的碳纤维整体型催化剂，具有催化剂颗粒均匀的分散在碳纤维表面，并且表现出较高的催化活性和稳定性。本发明具有环境友好、工艺简单、容易操作等优点，并且所得催化剂在水处理领域展现出较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种棉碳纤维整体型催化剂及其制备方法和应用，具体地说为金属或金属氧化物负载的棉碳纤维整体型催化剂的制备方法。

背景技术

碳材料具有高比表面积、优良导电性、化学情性、耐高温、高机械强度等特点，可以是一种很好的催化剂载体材料。但碳材料的化学惰性决定了活性组分与载体的作用力较弱，在特定的使用环境中(如水处理等)，活性组分易于流失。因此，解决活性组分与碳载体之间作用力弱的问题是本领域研究的方向之一。特别是碳纤维材料，活性组分一般是附着在碳纤维外表面，采用普通的浸渍法负载的活性组分的流失性更强。

为了解决该问题，现有的研究提出了较多的解决方案，如采用涂层材料包覆在碳纤维表面，活性组分负载在涂层材料中，碳纤维起到支撑涂层材料的模板作用(有些方案最终将碳烧除，仅涂层材料成为催化剂载体，碳纤维仅起到形成催化剂形状的模板作用)；如将碳纤维进行改性，以增强活性组分与碳纤维载体之间的作用力；如增加第三组分，增强活性组分与载体作用力等。但这些方案均存在一定的不足，如有的方案操作复杂、有的方案并没有真正以碳纤维为载体(没有发挥碳纤维载体催化剂的优势)等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种操作简单、成本低廉以棉花为前驱体构筑的金属或金属氧化物/碳纤维整体型催化剂的制备方法，本发明方法获得催化剂的活性组分稳定，在水处理等领域应用时的流失率低。

本发明所述具体步骤为：

制备催化剂前驱体：将棉花均匀分散在金属盐溶液中，放置超过18小时，优选超过20小时，最优选超过24小时，然后取出在不超过100℃条件下干燥，优选不超过80℃条件下干燥。

炭化处理：将上述催化剂前驱体在保护气氛下进行炭化处理，炭化温度为400～800℃，炭化时间为1～4小时。

本发明方法中，棉花可以是未处理的天然棉花，也可以是脱脂棉，优选前者，其成本较低。

本发明方法中，在棉花分散至金属盐溶液中时，可以辅助超声波处理，提高分散均匀性和效率。金属盐溶液可以是水溶液也可以是有机溶剂的溶液。金属盐的种类可以根据制备催化剂所需的活性金属种类进行选择，例如醋酸锌、硝酸铋、硝酸锰、硝酸镁、硝酸镉、硝酸铈、钛酸丁酯、硝酸镧、硝酸钇、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸银、硝酸钯、硝酸铂、氯化金、氯化钌等，对应的金属或金属氧化物是氧化锌、氧化铋、氧化锰、氧化镁、氧化镉、氧化铈、氧化钛、氧化镧、氧化钇、铁或铁氧化合物、钴或氧化钴、镍或氧化镍、铜或氧化铜、银、钯、铂、金、钌等。金属盐溶液的浓度一般可以为0.05～0.5mol/L，具体如0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L等。分散棉花的金属盐溶液一般过量使用，按1克棉花与50～300mL溶液的配比使用。放置时的温度一般为室温即可，也可以根据工况需要在一定温度范围内调整。

炭化处理的保护气可以是氮气、氩气、氢气等不会使棉花燃烧的气体，使用氢气等还原性保护气时，一般可以得到还原态金属的催化剂，使用其它惰性保护气时，一般得到氧化态金属的催化剂。炭化处理的升温速率可以根据设备工况调整，一般可以在2～50℃/min，具体如6℃/min，10℃/min，15℃/min等。炭化处理后，氧化态金属催化剂可以在空气条件下回收处置，还原态金属催化剂根据需要在适宜的保护条件下回收处置。

本发明方法获得的催化剂，以及催化剂在水处理中的应用。在水处理中，活性金属组分流失率低。特别适用于废水氧化去除COD等方面的应用。