[发明专利]一种催化氧化还原反应的改性碳基材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种用于催化氧化还原反应的改性碳基材料及其制备方法与应用，制备方法包括步骤：将含碳原料依次进行破碎、筛分、高温炭化、物理活化，得到碳基材料；然后将碳基材料进行碱处理和/或金属及金属氧化物负载，得到改性碳基材料。本发明的目的是提供一种可应用于氧化还原反应的碳基材料催化剂，以提高反应的氧化还原效率，适用于烟气氮氧化物、醇类化合物的气‑固、液‑固非均相催化氧化还原反应，可以实现金属负载组分高分散、固体催化剂易分离更换和循环再生。

技术领域

本发明属于催化剂领域，适用于非均相氧化还原反应的一种改性碳基材料催化剂。

背景技术

碳基材料是一种由已石墨化的碳基材料微晶和未石墨化的非晶炭构成的无定型炭，非晶炭与炭微晶的相互连接则构成了碳基材料的形状和空隙结构。研究表明，碳基材料具有丰富的孔结构和较大比表面积，其中中孔和小孔占主要部分。通过对碳基材料负载过渡金属催化剂研究表明，金属离子能够紧密且均匀的负载在碳基材料的表面。通过负载制备碳基材料催化剂的成分与性质未发生改变，碳基材料性质极其稳定。碳基材料如活性焦价格低廉及其具备的结构性质，使其在催化反应中得到了广泛应用和关注。在工业上其被广泛用于贵金属催化剂(如钯碳、铂炭等)的载体。其中，铜的活跃温度(134℃)较低，与碳基材料载体之间具有一定的相互作用。促进了铜与碳基材料结合的稳定性，防止铜在反应过程中的流失。多种因素决定了通过改性后制备的碳基材料催化剂在应用于催化氧化还原反应中，具有较高的催化活性、金属负载组分高分散、节省负载组分添加量、固体催化剂易分离和循环再生等优点。目前的选择性催化还原法是比较常用的烟气脱硝方法，但其费用较高，且催化剂循环再生使用的难度也很大。同样，湿法Fe(II)EDTA络合脱硝工艺在运行过程中，存在络合液吸附饱和和氧化现象，限制了络合反应的有效进行。

发明内容

针对现有非均相催化剂的氧化还原性能，生产、运营的成本高，催化剂难以循环再生利用等问题，本发明提供了一种催化氧化还原反应的改性碳基材料及其制备方法。

本发明提供一种改性碳基材料的制备方法，包括步骤：将含碳原料依次进行破碎、筛分、高温炭化、物理活化，得到碳基材料；然后将碳基材料进行碱处理和/或金属及金属氧化物负载，得到改性碳基材料。需要说明的是，可以将碳基材料直接进行碱处理，也可以将碳基材料直接进行金属及金属氧化物负载，也可以将碳基材料依次进行碱处理和金属及金属氧化物负载。

优选地，含碳原料选自无烟煤、长焰煤、褐煤、兰炭、木屑、椰壳和果壳中的一种或多种；其中，优选采用褐煤或兰炭作为含碳原料。

碳基材料的制备具体包括步骤：将含碳原料进行机械破碎，然后筛分得到粒径为30～500μm的颗粒；将颗粒在400～800℃高温炭化0.3～8小时，再在600～950℃物理活化0.4～24小时，得到碳基材料。碳基材料的比表面积为420～1000m²/g。

将碳基材料进行碱处理具体包括步骤：将碳基材料加入碱性溶液后浸泡；将浸泡后的碳基材料水洗至中性，然后60～120℃干燥3～6小时；其中，碱性溶液选自氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液和氨水溶液中的一种或多种，碱性溶液的浓度为1～8mol/L；浸泡的温度为20～80℃，浸泡的时间为4～24小时；水优选为去离子水。