[发明专利]一种含锰整体式电辅助金属蜂窝催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于空气净化技术领域，公开了一种含锰整体式电辅助金属蜂窝催化剂及其制备方法和应用。包括以下操作步骤：金属蜂窝基底经过表面预处理；将高锰酸钾、乙酸和葡萄糖溶液混合搅拌得到含锰前驱体液；将经过预处理后的金属蜂窝基底浸泡在含锰前驱体液中，在100‑200℃水热反应5‑40h；然后取出在蒸馏水中超声2‑20min；最后在50‑150℃干燥5‑20h，得到含锰整体式电辅助金属蜂窝催化剂，其中锰元素的质量百分数为10‑70wt.％。本发明催化剂中含锰活性组分可以在金属蜂窝基底表面牢固负载且分散均匀；该催化剂导电性能优良，可通过直流电辅助方式有效提升催化剂臭氧分解反应的稳定性和抗水能力。

技术领域

本发明属于空气净化技术领域，特别涉及一种含锰整体式电辅助金属蜂窝催化剂及其制备方法和在臭氧(O₃)催化分解中的应用。

背景技术

臭氧(O₃)由于强氧化性，常作为消毒剂、杀菌剂和除臭剂等得到广泛应用，但是臭氧在使用过程中利用效率不高会导致较多残留。这些未被处理的臭氧直接排入大气，会对各种生命体及其生存环境产生危害，因此我国《环境空气质量标准》(GB3095-2012)明确规定环境空气中臭氧1小时均值不大于0.16mg/m³。

目前处理臭氧的方法主要有活性炭法、热解法、等离子体分解法和催化分解法。活性炭法通过吸附作用去除臭氧，但存在吸附容量不高和需要经常更换的不足。热解法通过燃烧分解臭氧，但只适用高浓度臭氧处理。等离子体分解法通过高压放电产生等离子体分解臭氧，但存在操作复杂且电能消耗高等缺点。而催化分解法可以较好地弥补以上方法的不足，对臭氧的去除率也比较高，是当前研究和应用最多的臭氧处理方法。

现有技术中臭氧分解催化剂主要分为贵金属催化剂、含过渡金属氧化物催化剂和含锰催化剂。其中贵金属催化剂由于价格昂贵限制了其大规模工业运用；而含过渡金属氧化物催化剂的低温臭氧分解效率不够高。相对而言，含锰催化剂通过对单一二氧化锰体系掺杂贵金属、非贵金属元素及过渡金属元素等，可以有效增强催化剂的低温臭氧分解效率。但含锰催化剂在实际应用中存在使用寿命短和抗水能力差的不足，这主要是因为在臭氧分解反应的氧化气氛中，催化剂中低化学价态Mn³⁺被氧化为高化学价态Mn⁴⁺的速率比较快，而Mn⁴⁺还原回Mn³⁺的速率比较慢，从而引起催化剂中Mn³⁺与Mn⁴⁺相互转化速率出现失衡，导致催化剂表面活性氧空位数量不断减少，催化剂逐渐失活。当前研究者主要通过对含锰催化剂进行掺杂改性的方式，增强催化剂中Mn⁴⁺向Mn³⁺的还原反应速率，从而维持表面活性氧空位数量，提高催化剂使用寿命。而在臭氧分解反应中通过简单的直流电辅助方式提高含锰催化剂的使用寿命和抗水能力，目前还未见报道。

当前含锰催化剂从宏观形态上主要有颗粒型和整体式催化剂两种。其中颗粒型催化剂床层压降高，不适合处理高空速的臭氧气体。而对于整体式催化剂常以活性炭蜂窝、陶瓷蜂窝和金属蜂窝为规整载体，如中国专利CN102600861B和CN109261164A通过先制备催化剂粉体，然后配制催化剂浆液，最后通过浸泡-涂覆工艺负载在蜂窝载体上，制成成型的整体式催化剂，这样在使用时能够有效降低床层压降，在低温、高空速和高湿度条件下实现有效去除臭氧。相对活性炭蜂窝和陶瓷蜂窝，金属蜂窝载体表面一般光滑无孔，比表面积很低，采用传统浸泡-涂覆工艺很难均匀牢固负载含锰催化活性组分。但是，金属基底具有可加工性更高和抗震性更强的优点，而且金属蜂窝导电性能优良，也更适合采用直流电辅助方式增强含锰催化剂的稳定性和抗水能力。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种含锰整体式电辅助金属蜂窝催化剂的制备方法，该制备方法操作简单，对任意形状的金属基底均适用，制得的催化剂中含锰活性组分在金属基底上负载牢固且分散均匀，具有活性高、导电性好、易于工业运用的特点。