[发明专利]一种负载铜钯的介孔碳化硅基催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种负载铜钯的介孔碳化硅基催化剂及其制备方法与应用，首先以介孔二氧化硅为硬模板制备介孔碳化硅材料；随后将介孔碳化硅材料与钯和铜的前驱体混合溶液混合，溶剂完全挥发后干燥；干燥后的粉末先后经N₂煅烧、H₂还原，最终得到负载钯铜的介孔碳化硅基催化剂。将该催化剂制成电极，通过电化学法催化还原水体中的硝酸盐。本发明的催化剂制备方法简单，在低金属负载量下该催化剂即可实现高效催化脱氮，产物氮气选择性高，具备活性高、稳定性好、适用范围广、成本低的优势。

技术领域

本发明涉及催化剂制备及应用的技术领域，尤其涉及一种负载铜钯的介孔碳化硅基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

化石燃料、植物和垃圾的燃烧，生活污水、工业废水和畜牧废水的未处理排放以及含氮化肥的大量合成和过量使用等人类活动造成了水体硝酸盐污染。水体硝酸盐污染严重危害生态环境和人体健康。传统的脱氮处理技术(物理法、生物法、活泼金属还原法、化学催化加氢法)，存在操作复杂、需要后续处理、造成二次污染、潜在安全隐患等局限。与之相比，电催化技术更加简便、高效、安全、经济，可应用于水体脱氮。钯铜催化体系具备催化还原硝态氮的活性，但其脱氮效率和产物氮气选择性仍需进一步提高。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷与不足，提供一种负载铜钯的介孔碳化硅基催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1、将P123、去离子水、盐酸、正四硅酸乙酯进行混合搅拌，得到均匀溶液，将所述均匀溶液在40C的水浴中搅拌24h后倒入水热釜，进行进行晶化，再经冷却、过滤、干燥后置于马弗炉中进行煅烧，得到介孔二氧化硅，介孔二氧化硅为制备介孔碳化硅的硬模板；S2、将聚碳硅烷溶于二甲苯中得到聚碳硅烷溶液，聚碳硅烷的数均分子量为1500～2500，将介孔二氧化硅与聚碳硅烷溶液混合搅拌，待二甲苯溶剂完全挥发后进行干燥，干燥后的粉末经煅烧、刻蚀、洗涤、干燥，得到介孔碳化硅；S3、将PdCl₂和Cu(NO₃)₂·3H₂O进行混合得到铜钯前驱体混合溶液；S4、向所述铜钯前驱体混合溶液中加入所述介孔碳化硅，待溶剂完全挥发后干燥，干燥后的粉末于管式炉中先后经氮气气氛煅烧、氢气气氛还原，得到所述负载钯铜的介孔碳化硅基催化剂。

较佳地，步骤S1中，所述均匀溶液的各组分的配方为：每2g P123，水的用量为63.95ml，盐酸的用量为10ml，正四硅酸乙酯的用量为4.25g；将P123、水、盐酸进行混合搅拌，再滴加正四硅酸乙酯，得到所述均匀溶液。

较佳地，步骤S1中：晶化温度为130C，时间为72h；煅烧条件为：以空气为气氛，煅烧要求温度为550C，升温速率1C/min，煅烧时间6h。

较佳地，聚碳硅烷溶液中聚碳硅烷的浓度为10wt％，介孔二氧化硅和聚碳硅烷按质量比1:(1～1.2)混合。

较佳地，步骤S2中：干燥温度为80℃，干燥时间为12h；刻蚀为与过量4wt％HF水溶液混合搅拌24h。

较佳地，步骤S2中的煅烧过程为：以氮气为气氛，首先以2℃/min的速率升温至350℃，保温5h；随后以0.5℃/min的速率升温至700℃；继而以2℃/min的速率升温至1200～1400℃，保温2h；最后在氮气保护下自然冷却至室温。

较佳地，所述铜钯前驱体混合溶液中：钯的质量体积浓度为0.1～5g/L；铜的质量体积浓度为0.05～2.5g/L；钯铜的质量比为2:1。

较佳地，步骤S4中：所述的介孔碳化硅在所述铜钯前驱体混合溶液中的质量体积浓度为100g/L；干燥温度为80℃，时间为12h；煅烧、还原条件为：要求温度400℃，升温速率1℃/min；氮气气氛煅烧时间为3h，氢气气氛还原时间为1h。

本发明还提供了一种负载铜钯的介孔碳化硅基催化剂，采用所述负载铜钯的介孔碳化硅基催化剂的制备方法制备而成。