[发明专利]尖晶石催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种尖晶石催化剂及其制备方法和用途。尖晶石催化剂的制备方法，包括以下步骤：获取第一金属前驱体和第二金属前驱体，且第一金属前驱体和第二金属前驱体不同；将第一金属前驱体、第二金属前驱体以及络合剂溶于溶剂中，得到前驱体溶液；对所述前驱体溶液进行干燥，得到粘性胶体；对所述粘性胶体进行热处理，得到固体物质；对所述固体物质进行煅烧，得到尖晶石型氧化物；对所述尖晶石型氧化物进行碱处理，得到尖晶石催化剂。本发明的尖晶石催化剂的制备方法简单易行，原料易于获取，操作方便，适合大批量生产。

技术领域

本发明涉及一种尖晶石催化剂及其制备方法和用途，具体涉及一种表面含有大量氧空位的尖晶石催化剂的制备方法，属于大气污染控制技术领域。

背景技术

易挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，简称VOCs)是现今主要大气污染物之一，是二次污染物臭氧和二次有机气溶胶形成的重要前体物。VOCs在大气中可以发生光化学反应产生PM 2.5，其代表性物质为苯系物，主要有苯、甲苯、二甲苯。此外，VOCs还会对人体健康、环境等产生危害。VOCs可以通过反应促使光化学烟雾和温室效应等的产生，而光化学烟雾中的微粒和臭氧会严重影响免疫系统、呼吸系统、生殖系统等，最严重可引发癌症和突变等健康问题。目前我国VOCs年排放量达到上千万吨，给我国经济造成高达数千亿元的巨大损失。因此，VOCs的排放治理成为我国污染防治攻坚战的重要内容之一，同时也是国家大气污染防治计划的一项重要内容。

目前，VOCs的治理方法主要有吸附回收法、生物处理法、直接燃烧法、催化燃烧法等。其中催化燃烧法因其去除率高、不产生二次污染、能耗低、无焰氧化安全程度高、工艺简单、适用范围广而备受关注，催化燃烧法已成为控制VOCs排放的主流方法。催化燃烧法的技术核心是催化燃烧催化剂，目前已工业化应用的催化剂主要有两大类，分别是贵金属催化剂和非贵金属催化剂。在催化燃烧法中，VOCs的去除效果和运行能耗受催化剂的性能影响巨大。因此，研发具有高催化活性、强稳定性、低成本的催化剂成为研究者的研究方向。由于尖晶石型非贵金属催化剂在催化活性及连续运行稳定性方面具有一定的优越性，目前已成为开发非贵金属催化燃烧催化剂的研究重点。

尖晶石型非贵金属氧化物由于其特殊的结构，使其具有良好的物理化学性质，在过去几十年被广泛研究，并应用于各个领域。众所周知，尖晶石型非贵金属氧化物的催化活性与其表面氧空位数量有关，增加表面氧空位数量可大幅度增加其VOCs催化燃烧活性，尖晶石型非贵金属氧化物的连续运行稳定性与其尖晶石结构有关，尖晶石中四面体和八面体结构的紧密结合确保了体系结构的稳定，从而使其具有很强的连续运行稳定性。但尖晶石结构稳定也造成其表面氧空位数量有限，而氧空位数量对提升催化氧化活性至关重要。

金属掺杂和氧空位工程是目前提升尖晶石氧空位数量的常用方法。通过金属掺杂可提升尖晶石中的氧空位数量，但掺杂金属会在一定程度上破坏尖晶石结构，影响催化剂的连续运行稳定性。在尖晶石制备过程中通过调控溶剂种类和焙烧温度可增加氧空位数量，但该方法不能精准调控尖晶石表面，产生的缺陷多数存在于尖晶石体相中，而表面氧空位数量提升幅度小。且VOCs催化燃烧反应发生在催化剂表面，催化剂体相不能参与催化反应。因此，在保持完整的尖晶石体相结构前提下，如何在尖晶石表面精准制备氧空位，通过大幅提升尖晶石表面氧空位数量来降低尖晶石型非贵金属催化剂催化燃烧甲苯反应温度是如今技术难题。

引用文献1提供一种尖晶石催化剂、其制备方法与应用。其公开一种如式RMn_xO₄所示的尖晶石催化剂，该尖晶石催化剂的制备方法，包括以下步骤：按照原料配比将锰源、R源和络合剂在有机溶剂中混合、搅拌、加热，得到溶胶；将所述溶胶加热，得到凝胶；将所述凝胶煅烧，得到尖晶石催化剂。但是，该方法制备得到的尖晶石催化剂的氧空位数量少，无法增加其VOCs催化燃烧活性。