[发明专利]用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂的制备及产品和应用

说明书

本发明公布了一种用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴的制备方法及其产品和应用，通过以MOF材料Zif‑67和正硅酸乙酯为前驱体，通过调节热处理温度和氛围设计合成具有核壳结构的Co₃O₄@SiO₂中空纳米结构催化剂，该催化剂在氧化丙烷氧化方面表现出优异的催化性能，具有催化效率高和高温稳定性强的特点。

技术领域

本发明涉及一种用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂的制备方法及其产品和应用，属于材料制备领域。

背景技术

移动和固定燃烧源（如汽车，石化和发电厂）产生的碳氢化合物（HCs）排放是环境污染物的主要组成部分。轻质烷烃如丙烷等是汽车尾气中HCs的主要部分，由于其分子结构的稳定性，丙烷的高效去除是巨大挑战。催化燃烧法因反应温度低、无二次污染等特点，是绿色去除丙烷的有效方法。其中，在使用的催化剂中，过渡金属氧化物因价格低廉、抗中毒和烧结性能好，逐渐成为替代贵金属催化剂的最有潜力的材料。

目前，相比贵金属，过渡金属氧化物较低的催化性能是限制其应用的瓶颈。反应性能的高低主要与活性位点暴露多少有关。中空纳米结构具有高孔隙率，高表面积，易于增加活性位点暴露，为促进性能提高提供了思路。而且，中空的内部结构可通过内部负载或功能化进一步提高反应性能。

基于此，本发明的目的是提供一种应用于治理丙烷的具有中空纳米结构的过渡金属氧化物的制备方法，主要是利用金属有机骨架（MOFs）的三维骨架结构，设计合成独特的中空纳米结构。以MOFs制备氮掺杂的多孔碳方面应用较多，但由于MOF骨架的耐高温性能差，其在环境治理领域，尤其是在高温治理碳氢化合物相关领域应用很少。

本发明通过调节焙烧气氛和温度，设计合成了具有核壳结构的二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂。据我们所知，没有用此类方法制备用于治理丙烷的催化剂的专利或文献报道。而且采用本方法合成的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂表现出较高的丙烷治理效果和良好的高温耐受性，优于文献中的报道结果。

发明内容

针对I现有技术的不足，本发明目的在于提供一种用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂产品。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂的制备方法，以Zif-67和正硅酸四乙酯为前驱体制备核壳结构Zif-67@SiO₂，然后通过在不同气氛中焙烧的方法去除有机骨架，得到催化剂产物，包括以下步骤：

第一步，将已制备好的Zif-67粉末溶于乙醇和水的混合溶液，将2-甲基咪唑加入溶液中并超声处理，其中，乙醇和水的体积比为3:5-3:4，Zif-67的浓度为1g/L，Zif-67与2-甲基咪唑的质量比为1:5；

第二步，向溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）并继续搅拌，同时滴入正硅酸四乙酯（TEOS）溶液，其中，CTAB的浓度为3g/L，TEOS溶液体积为第一步中溶液体积的0.5%-1%；

第三步，老化24h后，通过离心收集沉淀，并用乙醇洗数次，其中离心转速为5000r/min；

第四步，将沉淀物置于鼓风干燥箱中干燥，控制干燥箱浓度为80℃，至完全干燥；

第五步，样品先经过不同气氛600℃预处理2 h，不同气氛为氢氩混合气和氮气，氢气的体积为5%-10%；再放置于马弗炉中空气焙烧，焙烧温度范围为300-600℃，焙烧2 h，得到用于丙烷治理的核壳结构二氧化硅包覆四氧化三钴催化剂。