[发明专利]一种用于甲苯催化氧化的二氧化锰催化剂的制备和使用方法

说明书

本发明属于材料合成领域，公开一种用于甲苯催化氧化的二氧化锰催化剂的制备和使用方法。通过采用低结晶度前驱体和程序升温水热两步法合成具有特殊蒲公英形貌的MnO₂催化剂，由于界面效应，所得催化剂具有较多的缺陷位点和较高的(Mn²⁺+Mn³⁺)/Mn⁴⁺摩尔比例，在高空速和较低温度下可以实现甲苯完全催化转化，转化率98％，催化剂催化性能稳定，具有较长催化寿命，对空气中排放的低浓度甲苯气体催化效果优异，可处理至接近零排放。

技术领域

本发明属于材料合成领域，公开一种用于甲苯催化氧化的二氧化锰催化剂的制备和使用方法。

背景技术

随着我国社会经济的发展，工业化、城市化进程步伐不断加快。环境保护，城市可持续发展成为人们共同关注的问题。由工业化等其它人类活动带来的大气污染物的治理问题也越来越受到重视。挥发性有机物(VOCs)作为重点的大气污染物之一，是形成复合型大气污染：二次有机气溶胶的主要元凶，从而影响大气能见度，形成大气光化学烟雾、酸沉降等，其中芳香族VOCs包括苯、甲苯、邻二甲苯和氯苯等，对人体健康具有高毒性和“致癌-致突变性-致畸”作用。

常用的VOCs处理方法分两类：回收法和消除法，常见的回收法有吸附、吸收、冷凝和膜分离技术，一般只适用于具有高利用价值的VOCs的集中处理，且处理后会有较多残留，单一的回收法不能使废气达到排放标准。常见的消除法一般有燃烧法、光催化、催化氧化、等离子体氧化等，其中催化氧化法相较于其他消除方法处理效率高，无二次污染，起燃温度低，节省能源，几乎适用于所用的VOCs，即可适用于处理浓度范围广、成分复杂的各种有机废气。

催化氧化法从原理上讲是发生在催化剂表面的完全氧化反应，是典型的气-固相催化反应，在催化剂中活性氧的氧化作用下，废气中的有机物在低温下进行无焰燃烧，主要转化为CO₂和H₂O。在催化氧化过程中，催化剂不仅能降低反应的活化能，同时能使反应物分子富集于催化剂表面，提高了反应速率，加快了反应进行。低温催化氧化法已经被广泛应用于处理石油化工等工业生产产生的甲苯等污染物。

现阶段用于催化氧化的催化剂主要包括贵金属催化剂和非贵金属催化剂，过渡金属氧化物催化剂又是最常见的非贵金属催化剂。与资源稀少、价格昂贵的贵金属相比，过渡金属氧化物催化剂具有原料丰富、价格低廉抗毒性好的特点。MnO_x作为最常见的过渡金属氧化物，由于具有清晰可控的晶体结构和多变的金属价态成为近年来研究的热点。

氧化还原水热法是合成不同晶型、不同形貌MnO₂的方法之一，但以往采用单一水热法合成的MnO₂形貌单一，晶体结构规则，具有较低的(Mn²⁺+Mn³⁺)/Mn⁴⁺摩尔比例，即较少的表面氧空位，催化氧化效果较差。如2017年公开号为CN201710838216.9的专利合成了纳米棒组成的球形二氧化锰，证明了具有较高Mn²⁺/Mn⁴⁺摩尔比的催化剂具有较多氧空位和较高的催化反应活性，但所合成的催化剂在高温下会发生转晶，从而对催化剂性能产生一定影响。本专利直接合成稳定晶型的α-MnO₂，耐高温性能更好，不容易发生转晶。公开号为CN110385125A的专利利用MnO₂前驱体在KOH中歧化，得到较多缺陷位点的MnO₂催化剂，但歧化过程较难控制，形成的氧空位在后续焙烧过程中不能完全稳定存在。