[发明专利]一种原子掺杂修饰的双壳层整体式中空催化剂及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种原子掺杂修饰的双壳层整体式中空催化剂及制备方法与应用，该催化剂由下述通式N‑ZSM‑5@M‑ZSM‑5，M‑ZSM‑5和N‑ZSM‑5均为金属原子掺杂型且具有MFI结构的多级孔分子筛,N和M代表Fe、Cu、Mn、Ni、Co、Ti等中的过渡金属元素。该催化剂为双壳层整体式中空催化剂，外层M‑ZSM‑5与内层N‑ZSM‑5紧密结合为一整体。具有较高的比表面积、介孔孔道和扩散性；在表面化学性质方面，较高的催化氧化还原特性、充足的表面活性氧组分和适宜的酸性。同时，该催化剂在催化氧化VOCs时表现出较高的低温催化活性以及抗硫、抗水、抗氯中毒的特性，提高了催化剂的稳定性。该催化剂的成功制备可为复杂有机废气的低温净化，尤其是CVOCs和含二氧化硫等杂质VOCs的去除，带来一定的经济效益和环境效益。

技术领域

本发明涉及资源综合利用和环境污染控制技术领域，特别是涉及一种原子掺杂修饰的双壳层整体式中空催化剂及制备方法与应用。

背景技术

有机挥发物(VOCs)作为重要大气污染物之一，成分复杂，种类繁多，直接影响人类身体健康和生态环境。为降低PM_2.5和O₃污染，消除VOCs的排放至关重要。在众多VOCs治理技术中，催化燃烧技术因具有能耗低、效率高且无二次污染等特点，被广泛应用于VOCs的净化中。然而，催化剂为催化燃烧技术的核心。催化剂的物理化学性质直接影响有机废气的氧化效果。

此外，针对VOCs排放特点及分子结构的不同，则要求所使用的催化剂应具有相适应的性质。此外，工业废气组分复杂，多为有机组分和无机组分的混合废气，给催化剂的高效应用带来了挑战，主要表现在催化剂可被废气中的SO₂和重金属中毒失活，被微细烟尘堵塞传输孔道，被水蒸气占据活性位从而失去活性。不仅如此，有机废气中的含氯有机气体(CVOCs)在催化过程中易产生氯中毒现象，使得催化剂失去活性，此外，另外一个导致催化剂失活的因素是有机组分可在催化剂表面产生积碳，进而导致失活。这些方面限制了催化剂的发展和应用，使得催化燃烧技术不能够充分发挥出节能降耗的优势，其关键点在于高适用性催化剂的制备。

经查阅资料和调研发现，现有商用催化剂对复杂性气体VOCs和CVOCs的有效性和适用性较差，主要表现在反应物深度氧化效果差、副产物多、催化温度高等特点。

ZSM-5(Zeolite Socony Mobil–5)分子筛因具有疏水性可调、表面酸性可控、热稳定性高等优势，而被较优选地应用于VOCs和CVOCs的催化净化。然而，传统的ZSM-5因孔径较小、氧化性能较低，而不能及时地将有机过渡态完全氧化，导致较多的积碳和氯沉积，这大大限制ZSM-5分子筛在实际中的应用。因此，强化ZSM-5对VOCs，尤其是对CVOCs的低温深度氧化性能，改善ZSM-5分子筛在实际中的应用效果，对增强催化燃烧技术在有机废气净化领域中的应用具有重要意义。

迄今为止，人们在提高ZSM-5催化氧化VOCs和CVOCs性能方面进行了颇多研究，主要表现在：(1)负载金属氧化物；(2)提高分子筛的比表面积和介孔容积；(3)制备新型结构的复合催化剂。然而，分子筛催化剂表面积碳和氯中毒问题未得到有效解决。

因此，如何更好地提高ZSM-5催化剂抗氯性、抗积碳性和低温深度氧化性能是目前需要解决的重要问题。这对提高ZSM-5分子筛在催化氧化CVOCs中实际应用具有指导意义，对增强催化燃烧技术在CVOCs领域中的地位，实现低能减排和绿色发展具有重大意义和应用价值。

基于此，目前急需一种新型ZSM-5催化剂来解决上述存在的技术问题。

发明内容

针对上述存在的问题，为提高复杂气体VOCs的去除效率，提高CVOCs的催化活性和稳定性，本发明开发一种原子掺杂修饰的双壳层整体式中空催化剂及制备方法，不仅可以提高复杂气体中VOCs的去除效率，而且可以实现低碳绿色经济发展，对改善大气环境具有重要的实际意义。