[发明专利]一种用于VOCs催化氧化反应的金属氧化物纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种用于VOCs催化氧化反应的金属氧化物纳米纤维及其制备方法。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)种类繁多，释放源头分布广泛，是继细颗粒物，二氧化硫和氮氧化物之后的第四大气态污染物。研究表明，2013年我国VOCs的年排放总量为1853.8万吨，且还在以年平均14％的速度增长。VOCs催化氧化法由于节能、无二次污染等特点在有机废气治理方面受到人们的普遍关注。

催化氧化法的研究发展以催化剂为中心，合适的催化剂活性组分可降低反应的能垒，促进自由基的生成，使VOCs的催化氧化在较低的温度下进行，降低处理所需能耗。

目前，常使用的催化剂活性组分一般有三大类：

(1)贵金属催化剂；

(2)过渡金属氧化物催化剂；

(3)复合氧化物催化剂。

过渡金属氧化物由于其良好的VOCs氧化性能而得到广泛的研究，但现有的金属氧化物催化剂由于其易烧结，比表面积较小和多种金属氧化物分散性较差，使其对VOCs的氧化活性受到了一定限制。纳米纤维催化剂由于其具有较大的比表面积和较低的传质阻力而得到越来越多的关注和研究，但目前对于纳米纤维在催化领域的应用还主要局限在光催化和电化学催化方面。

公开号为CN102485330A的中国专利文献公开了一种氧化锌纳米线薄膜光催化剂的制备方法，该方法是将金属锌片放入肼和蒸馏水体积为1:1～2:1的混合溶液中，在170～190℃下水热反应2～4h，冷却后取出锌片干燥即可获得氧化锌纳米线薄膜光催化剂，在最优化条件下，可得到直径为100～150nm，长度为10～20μm的氧化锌纳米线，并且对水中有机物具有较好的光催化活性，但其复杂的制备方法以及仅适用于水体污染物的光催化的特点限制了其运用。

公开号为CN103691426A的中国专利文献公开了一种Bi₂WO₆纳米复合纤维可见光催化剂及其制备方法，该Bi₂WO₆纳米复合纤维由静电纺丝法制成，具有低能带、高量子效率、大比表面积、稳定性高、易回收、环境友好等特点，能高效催化降解亚甲基蓝。但该纳米纤维仅适用于水体污染物的光催化，在无光条件下无法进行，且其处理污染物的浓度和速率都较低。

发明内容

针对工业生产过程中产生的VOCs，特别是工业源异味气体的治理，本发明提供一种金属氧化物纳米纤维及其制备方法，采用静电纺丝法制备的一维金属氧化物纳米纤维作为催化剂，提高了催化剂比表面积，催化剂相关性质并有效增强了VOCs催化氧化反应中反应物/产物的扩散、吸附/脱附。

本发明公开了一种用于VOCs催化氧化反应的金属氧化物纳米纤维，平均直径为100～800nm，比表面积为10～200m²/g，金属氧化物纳米纤维中晶体的平均晶粒小于30nm；金属氧化物为氧化钒、氧化铬、氧化锰、氧化铜或氧化铈中的至少一种。

作为优选，所述金属氧化物为氧化铜与氧化铈的混合物，氧化铜与氧化铈的摩尔比为15：85～85:15；进一步优选，氧化铜与氧化铈的摩尔比为1:1。在所述优选的摩尔比下，将制备得到的金属氧化物纳米纤维用于催化VOCs催化氧化反应，具有最佳的催化效率。

本发明还公开了所述金属氧化物纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属盐与无水乙醇和去离子水混合均匀得到溶液，向溶液中加入聚合物，室温搅拌得到溶胶，再经静电纺丝后得到初生纳米纤维；

所述的金属盐为金属的硝酸盐、碳酸盐、乙酸盐或卤化物中的至少一种；所述的金属为钒、铬、锰、铜或铈中的至少一种；

所述的聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯中的至少一种；

(2)步骤(1)得到的初生纳米纤维经干燥、煅烧后，得到所述的金属氧化物纳米纤维。

作为优选，步骤(1)所述的溶液中金属盐的浓度为0.1～5mol/L；

无水乙醇和去离子水的体积比为0.1～0.8。

步骤(1)中，静电纺丝的具体步骤为：

将溶胶移至针筒中，加装点胶针头，之后将针筒加装在注射泵上，针头接直流高压电源，接收筒加装铝箔并接地，在常温、常湿度条件下进行静电纺丝。

聚合物的加入能够改善金属盐溶液的流变性能以适于静电纺丝的过程，并且在初始纺丝形成的过程中能起到纳米纤维骨架的作用。所述的聚合物聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯中的至少一种，均可以起到上述的作用。