[发明专利]富含金属缺陷的四氧化三锰催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种富含金属缺陷的四氧化三锰催化剂的制备方法及其应用，该方法通过常温常压下高锰酸钾与葡萄糖、硝酸铈之间温和的氧化还原反应制备得到铈掺杂碳酸锰；将碳酸锰置于无氧氛围下热解制得富含锰缺陷四氧化三锰；通过调节铈元素含量可以有效调控四氧化三锰中金属缺陷浓度。本发明制备的富含金属缺陷的四氧化三锰作为催化剂，用于净化空气，金属缺陷含量越高，催化剂催化分解有机气态污染物的活性越高。

技术领域

本发明涉及富含金属缺陷材料的制备方法及其应用，尤其涉及富含金属缺陷的四氧化三锰催化剂的制备方法和空气净化中的应用。

背景技术

随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，人们对于空气质量问题越来越重视。在众多污染物中，挥发性有机化合物(VOCs)因其气味效应、感官刺激和慢性毒性而日益受到关注。为了解决VOCs的污染问题，国内外研究者开展了广泛的研究，目前常用的VOCs去除方法主要有物理吸附、低温等离子体降解、生物降解、热催化氧化、光催化氧化等。催化氧化法可将甲醛直接分解为二氧化碳与水，具有高效、无二次污染等特点，是一种可持续发展且环境友好的净化技术。催化氧化的基本原理为，催化剂通过活化空气中的氧气产生具有高氧化活性氧物种来氧化污染物，从而实现污染物的降解。对于催化氧化法，开发经济高效的催化分解材料是关键。近年来，在VOCs催化分解材料的研究上，锰氧化物因其较高的低温催化活性和低毒廉价优势，具有良好的应用前景。前期大量的研究表明，表面缺陷是多相催化反应的活性位点，对催化反应活性起到决定性作用。在锰氧化物中，通常存在氧缺陷和金属缺陷两大类。氧缺陷的作用已被广泛研究而有深入认识。但除氧缺陷外，制造金属缺陷也是显著提高催化性能的有效方法，因为金属缺陷可以改变周围氧原子的电子氛围和配位环境，从而可以显著增强金属缺陷周围氧原子的可移动性和活性。一方面，金属缺陷周围可以更易于产生氧缺陷；另一方面，金属缺陷周围会聚集大量的表面活性氧物种，进而提高催化反应效率。

虽然金属缺陷广泛的存在于金属氧化物中，但是由于缺少形成不饱和位点的内在驱动力，金属-氧键断裂困难，所以可控合成富含金属缺陷的催化剂，并对金属缺陷含量进行调控面临很大挑战。此外，金属缺陷的引入会大大增多活性位点，对于活性的提高是一个新的突破。因此，开发简单有效的方法制备调控富含金属缺陷的四氧化三锰具有重要的科学研究意义和实际应用价值。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种富含金属缺陷的四氧化三锰及制备方法，并在空气净化领域中的应用。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种富含金属缺陷的四氧化三锰催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：配置高锰酸钾的水溶液；配置葡萄糖溶液；

S2：将S1中得到的葡萄糖溶液与高锰酸钾水溶液快速混合并剧烈搅拌，静置反应得到沉淀物；

S3：将S2中所得到的沉淀物经过过滤分离后烘干洗涤，得到碳酸锰材料；

S4：将S3中得到的碳酸锰在无氧氛围条件下热解，得到目标产物四氧化三锰。

优选地，在S1中，所述高锰酸钾与所述葡萄糖的质量比为1：0.05-0.6。

优选地，在S1中，所述葡萄糖溶液为葡萄糖的水溶液或者葡萄糖与硝酸铈混合水溶液。

优选地，所述葡萄糖与硝酸铈混合水溶液中，硝酸铈的含量按硝酸铈与高锰酸钾的摩尔比计，其摩尔比为：0-0.5。

优选地，在S2中，剧烈搅拌时间为5-60秒。

优选地，在S2中，静置反应时间为10-120分钟。

优选地，在S3中，烘干温度为60-300℃。

优选地，在S4中，所述的无氧氛围为氮气、氩气、氮气氩气混合气或者多种惰性气体的混合气。