[发明专利]磁性纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的磁性纳米复合材料包含负载在石墨烯上的二氧化铈纳米颗粒和磁性四氧化三铁纳米颗粒。本发明提供的磁性纳米复合材料用于催化氧化氮氧化物，可将氮氧化物转化为可以循环使用的硝酸，尾气中氮氧化物的含量≤100mg/m³可以满足《大气污染物综合排放标准》GB 3095‑2012，并且催化剂回收率高，可循环使用多次。

技术领域

本发明涉及一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

氮氧化物包括以一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)为主的多种氮的氧化物，是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。大气中的氮氧化物主要源于化石燃料燃烧氮化合物的转化以及工业生产过程中硝酸的使用。氮氧化物将成为实行总量控制的污染物之一。而目前氮氧化物的处理方法主要有以下几种：选择性催化还原法(SCR法)是以氮气为还原剂，V₂O₅-TiO₂为催化剂来消除固定源(如火力发电厂)排放的NO的工艺，脱除率约为65％；非催化选择性还原法(SNCR法)是在900～1200℃的高温下反应，该法的净化率只有50％；湿法吸收是通过NaOH、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂等这些碱性溶液来吸收净化氮氧化物，虽然该实验的脱除率可以达到90％，但在实际应用过程中，会产生大量的硝酸盐固体废弃物，造成二次污染。因此，如何低成本、高效率的处理工业生产过程中产生的氮氧化物，并且“变废为宝”将氮氧化物转化为可循环使用的硝酸，实现氮氧化物的达标排放(≤100mg/m³)，仍然是有待解决的关键问题。

纳米材料作为新一代高效环保催化剂在光催化空气净化，汽车尾气净化，化石燃料脱硫和降低温室效应等空气净化领域有很好的应用，被誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米无机氧化物是纳米材料的重要组成部分，而稀土氧化物又是一个亮点，其中纳米二氧化铈是稀土氧化物中活性最高的一个氧化物催化剂。这是因为纳米二氧化铈(CeO₂nanoparticles,CeO₂NPs)颗粒尺寸小，表面键态和电子态与颗粒内部不同，表面光滑度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而增加了反应接触面，具有很强的催化性能。利用CeO₂NPs的高催化活性，用于催化氧化氮氧化物，将其直接转化为可循环使用的硝酸。

但是由于纳米材料尺寸小，比表面积大，表面原子数增加，原子配位不足及其高的表面能，是这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，容易发生团聚而使其催化活性降低。另外，催化剂的可循环使用，可以大大降低成本。对于纳米材料而言，目前往往采用离心分离的方法，分离过程中，能耗高，且效果差。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种磁性纳米复合材料。

本发明的第二个目的是提供一种制备磁性纳米复合材料的方法。

本发明的第三个目的是提供所述磁性纳米复合材料的应用。

根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种磁性纳米复合材料，其包括负载在石墨烯上的纳米二氧化铈和磁性四氧化三铁纳米颗粒。

根据本发明的优选实施方式，所述石墨烯为氧化石墨烯。氧化石墨烯(GO)是碳原子紧密堆积成单层二维网状结构的一种炭质新材料。

根据本发明的优选实施方式，所述纳米二氧化铈为球形纳米二氧化铈。优选地，所述纳米二氧化铈的粒径为1-100纳米，优选为3-30纳米，更优选为4-20纳米，最优选为4-6纳米。

根据本发明的优选实施方式，所述述磁性四氧化三铁纳米颗粒的粒径为1-100纳米，优选为3-30纳米，更优选为4-20纳米，优选为4-6纳米。