[发明专利]一种高分散钴铁双金属催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种高分散钴铁双金属催化剂及其制备方法和应用，涉及催化材料技术领域。高分散钴铁双金属催化剂的制备方法采用未煅烧的SBA‑15作为载体，未经煅烧的SBA‑15载体没有去除模板剂，在载体内部形成一个受限空间，在后续与前驱体进行研磨混合负载的过程中使过渡金属原子在一个受限的空间内生长，因此避免了过金属氧化物的聚集，可获得较小的纳米粒径和良好的分散度，利用SBA‑15的限域效应以及表面丰富的Si‑OH官能团合成的高分散钴铁双金属催化剂，其活性位点分布均匀且得到最大暴露化，该基于基于SBA‑15的高分散钴铁双金属催化剂‑过硫酸盐催化体系可应用于深度净化VOCs废气。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，更具体地，涉及一种高分散钴铁双金属催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

VOCs是大气PM2.5和O₃形成的关键前体物，易与其它大气污染物相互耦合，形成难以自然分解，危害更为持久的二次污染物。VOCs废气工业来源众多、特性复杂，目前缺乏经济长效的深度治理措施。气-固光催化氧化在常温下因活性氧数量和氧化能力不足，易导致催化剂失活，VOCs的净化效率和矿化程度受到限制，易产生二次污染。传统的液相吸收法利用喷淋塔、鼓泡塔等装置，通过吸收作用去除有机废气，但该技术对难溶性VOCs的去除存在吸收速率慢、吸收容量低等问题，难以广泛推广。近年来，基于硫酸根自由基的高级氧化技术 (SAOPs)由于能够产生具有强氧化性的活性氧物种而在废水深度处理领域备受关注，但其用于处理VOCs废气的报道较少。若利用SAOPs联合液湘吸收法处理VOCs，一方面能够通过自由基的氧化作用，促进VOCs气液传质效果；另一方面由于液湘体系中空气流和VOCs废气流的作用，能够使自由基与VOCs之间得到充分接触和氧化，使降解率得到进一步提高。利用基于过硫酸盐体系的液相高级氧化技术降解气态VOCs是一种连续流系统，VOCs是源源不断被供给的，与污水处理有机污染物的静态体系有着很大的差别，VOCs的连续流系统要求活性氧物种必须能够持续地产生以维持VOCs的持续降解，因此对活性氧物种的产生速率具有较高的要求。在连续流系统中，氧化剂的过快分解不利于VOCs的降解，这会导致氧化剂过快被消耗而VOCs降解效果下降。在SAOPs中，利用过硫酸盐作为氧化剂，在外部能量如加热、紫外光辐射、微波辐射等作用下，通过产生活性氧物种来降解有机物，但此过程能源消耗量大、运行成本较高，且活化过硫酸产生活性氧物种的速率过快，因此不利于连续流VOCs废气的处理。利用过渡金属(或氧化物)作为活化剂激活过硫酸盐产生活性氧化种的一类AOPs，其无需外加热源或者光源，在常温常压下即可实现过硫酸盐活化，产生活性氧物种的方式更为温和，具备很大的优势。其中，钴、铁两种金属氧化物被证明对过硫酸盐具有较好的活化效果，在制备催化剂的过程中，除了要考虑催化剂的活性之外，还必须得考虑催化剂活化过硫酸盐的速率。

为了提高过渡金属催化剂的催化活性，需要增大金属活性组分的分散程度，使更多活性位点暴露出来。然而，对于负载型催化剂而言，过渡金属催化剂的催化活性不仅与金属原子活性位点的数目有关，还与催化中心金属原子的价态以及金属原子周围的配位环境有很大的关联。CN106362788A公开了一种用于有机废水处理的磁性介孔材料的制备方法，包括以下步骤：①、配制2M的盐酸溶液；②、将1～3g的P123或F127表面活性剂搅拌溶解于30～80mL2M的盐酸溶液中；③、加入前驱盐硝酸钴或硝酸铁和硝酸钴的混合物搅拌溶解至溶液透明；④、加入0.85～2.55mL的均三甲苯，搅拌2.5～3.5小时；⑤、再加入2.25～6.75mL的正硅酸乙酯，在35～45℃搅拌反应24小时；⑥、然后密封于不锈钢聚四氟乙烯衬底的反应釜中，在100℃下水热晶化24小时；⑦、水浴振荡器在100℃下震荡干燥；⑧、在55～65℃干燥箱中干燥样品；⑨、将干燥的粉体以5～10℃/分钟的升温速率加热至550℃，并在此温度下恒温6小时得到磁性介孔材料。该制备方法的制备过程需要用到有机溶剂均三甲苯，均三甲苯本身属于一种城市中常见的VOCs，因此极易挥发到环境中，造成VOCs危害。且上述方法一步法制备得到的催化剂中活性组分以纳米颗粒的形式存在，暴露的活性位点数量及分散程度受到限制，催化活性不高。

发明内容