一种石墨烯促进型水滑石基脱硝催化剂及其制备方法

摘要

一种石墨烯促进型水滑石基脱硝催化剂及其制备方法，属于环境保护催化剂技术领域。催化剂的化学式为M2+2Mg2+Al3+(O)；其中，M2+为Cu2+、Co2+、Ni2+、Mn2+中的一种或几种组合，M2+：Mg2+：Al3+的摩尔比为2:1:1；催化剂比表面积为80～110 m2/g，孔体积为0.3～0.4 cc/g，孔径分布为介孔分布。该催化剂通过共沉淀法将水滑石（LDHs）纳米片负载于石墨烯表面，焙烧后得到M2+2Mg2+Al3+(O)。优点在于，该催化剂对NOx的储存量具有很高的催化活性和较好的稳定性，大大优于无石墨烯促进型水滑石基催化剂，同时还具有增强的NO直接分解能力。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护催化剂技术领域，特别是提供了一种石墨烯促进 型水滑石基脱硝催化剂及其制备方法。

技术背景

进入二十一世纪以来，随着国民经济和交通运输业的不断发展，直接 带动了机动车行业不断向前推进，使得机动车的生产量和保有量迅速 增加，这在给我们的生活带来便利的同时，也给我们赖以生存的环境 造成了严重的污染。其中，机动车尾气中NO_x的排放（主要是NO）已经 成为主要的大气污染源之一，由此形成的光化学烟雾和酸雨对城市环 境和公众健康造成了严重威胁。考虑到对化石燃料的高效利用，贫燃 发动机将是未来机动车的发展趋势，因此，贫燃条件下对NO_x的脱除成 为环保领域的一个研究热点和难点。在众多脱硝技术中，氮氧化物储 存还原技术（NO_x Storage-Reduction， NSR）是移动源脱除NO_x最具 前景的发展技术。储存性能是NSR催化剂所具有的一个非常重要的特征 ，它直接影响NO_x在适当条件下的完全脱除，因此其氮氧化物储存量（ NO_x Storage Capacity，NSC）是考察催化剂活性高低的一个重要方 面。

水滑石（LDHs）是由带正电荷层板和层间阴离子有序组装而形成的层 状化合物，其化学组成可以用通式表示为：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·m H₂O，其中M²⁺和M³⁺分别为主体层板上的二价和三价金属阳离子，A^n-为层 间阴离子，x （=M³⁺/(M²⁺+M³⁺)）为摩尔比值。以LDHs为前驱体焙烧得 到的复合金属氧化物兼具金属元素分布均一和本征碱性，在脱硝反应 中具有直接分解、储存和还原多功能性，因而在NSR技术研究中受到了 广泛关注。然而，由传统共沉淀法制备的LDHs粒径通常较大，且高温 焙烧中容易烧结。因此由LDHs前体焙烧得到的复合金属氧化物通常存 在比表面积小、粒子分散性差的缺点，从而使催化剂催化活性降低。 同时又有研究表明焙烧温度越高此缺点表现越明显。如2009年，Li等 在Applied Catalysis B: Environmental 第91卷406-415页中报 道，由共沉淀法制备的LDHs基Co_2.5Mg_0.5AlO复合金属氧化物催化剂随焙烧 温度提高催化剂的氮氧化物储存量迅速降低，这主要是由于催化剂烧 结造成的比表面积降低及表面活性中心数量减少所致。

目前，通过选择一些合适的载体，提高纳米催化剂粒子的分散度进而 提高催化活性的研究激起了广泛兴趣。例如，近年来关于新型碳载体 如碳纤维（CF）、活性炭（AC） 和碳纳米管（CNT）等负载金属单质/金属氧化物的报道有很多。2011 年，Li等人在Journal of Hazardous Materials第192卷915-921页 报道了碳纳米管（CNT）负载V₂O₅/TiO₂催化剂，碳纳米管的促进作用 表现在提高了催化剂的比表面积和孔体积，从而为催化反应提供了更 多活性位。2012年，Xu等人在The Journal of Physical Chemis try C第112卷19841-19845页中报道的石墨烯（Graphene）负载Au、 Pt、Pd纳米粒子催化剂在催化领域显示出巨大的应用潜力，其中很重 要的原因就是石墨烯载体对活性组分的分散作用。以上事例说明选择 合适的碳载体能够提高金属单质或金属氧化物的分散度，从而提高催 化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯促进型水滑石基脱硝催化剂及其制 备方法。制备过程简便且条件温和，不需要任何有机试剂，所得的石 墨烯负载水滑石复合材料中水滑石纳米片尺寸均一且高分散。焙烧后 所得到的石墨烯促进型水滑石基催化剂在脱硝反应中显示出优异的NO _x储存能力及分解性能，归因于石墨烯对活性组分的高分散促进作用。

氧化石墨烯在初始制备首先以静电作用力吸附盐溶液中金属阳离子， 成核过程中抑制了水滑石晶核的生长和团聚，从而得到高分散、尺寸 均一的水滑石基催化剂，进而克服现有技术中水滑石基催化剂普遍氮 氧化物储存量不高的缺点。该催化剂在贫燃条件下对NO_x的脱除呈现了 很高的储存能力和较好的直接分解性能，大大优于无石墨烯促进型水 滑石基催化剂，同时制备过程简便、条件温和。催化剂循环利用4次， 储存量、分解率基本保持不变，表明催化剂具有较高的稳定性。

本发明的石墨烯促进型水滑石基脱硝催化剂的化学式为M²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O) ；其中，M²⁺为Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺中的一种或几种组合，M²⁺：Mg²⁺：A l³⁺的摩尔比为2:1:1；催化剂比表面积为80～110 m²/g，孔体积为0. 3～0.4 cc/g，孔径分布为介孔分布。

该催化剂通过共沉淀法将水滑石（LDHs）纳米片负载于石墨烯（Grap hene）表面，焙烧后得到M²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

本发明的石墨烯促进水滑石基催化剂的制备方法是首先将一定比例的 M²⁺（Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺中的一种或几种组合）、Mg²⁺、Al³⁺的盐溶液 与氧化石墨烯胶体溶液混合，金属阳离子静电吸附于氧化石墨烯表面 ，再在碱性环境下原位生成小粒径、高分散的水滑石纳米片，焙烧后 获得相应的催化剂。具体包括下述步骤：

（1）石墨的预氧化：依次将浓H₂SO₄、K₂S₂O₄和P₂O₅加入到烧瓶中， 搅拌下加入石墨粉，最后在60～80^oC水浴锅中反应6～8小时，洗涤至 中性，干燥、备用；其中石墨：浓H₂SO₄： K₂S₂O₄： P₂O₅的质量比 为1：4～8：0.5：0.5。

（2）氧化石墨烯的制备：于四口烧瓶中量取浓H₂SO₄，在0～10^oC搅拌 条件下依次将预氧化石墨粉和NaNO₃ 加入到浓 H₂SO₄ 中，并慢慢 加入KMnO₄，搅拌反应60～90分钟；然后将烧瓶转移至35^oC的恒温水浴 中，继续搅拌 30～60分钟；最后在搅拌中加入去离子水，控制反应 温度于95～98^oC之间，继续搅拌30～60分钟；用3% H₂O₂ 30～50  ml处理反应液至呈现金黄色，然后趁热过滤，再用 5% HCl 和去离 子水充分洗涤至滤液中无 SO4^2-；其中石墨：浓H₂SO₄： NaNO₃：  KMnO₄的质量比为1：42：0.5：3，浓H₂SO₄： H₂O的体积比为1:2。

（3）M²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)催化剂的制备：将1 g氧化石墨转移到到1L四口烧 瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌条件下以100W～1000W频 率超声0.5～2小时即得到分散均匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓 度为2mg/ml；称取0.007 ～0.021 mol M²⁺ (NO₃) ₂·xH₂O，M²⁺是 Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺中的一种或几种组合，0.0035～0.0105 mol M g (NO₃) ₂·6H₂O，0.0035～0.0105 mol Al(NO₃) ₃·9H₂O溶解 于100 ml去离子水中并倒入500 ml 氧化石墨烯胶体溶液中，搅拌 30～60分钟并辅助超声；再将摩尔比 [Na₂CO₃]/[Al(NO₃)₃·9H₂O]= 2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保持30～50分钟， 碱液滴加结束时溶液pH稳定在10±0.5；最后65^oC晶化4小时，离心、 洗涤、60～80^oC烘干，将产物在马弗炉中500^oC空气气氛中焙烧4小时 后得到催化剂表示为M²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

本发明与现有技术相比具有以下优点和特点：

(1)以一种简单的合成路线制备了水滑石/石墨烯（LDH/Graphene）复 合材料，所得载体稳定性高、易于水滑石纳米片分散、尺寸均一。

(2)本发明所制得的水滑石基脱硝催化剂尖晶石粒子高度分散、粒径小 ，且多次循环利用仍然具有很高的NO_x储存量（NSC），具有很好的商 业应用前景，提供了一种高储存量的水滑石基脱硝催化剂及其制备方 法。

附图说明

图1为实施例1前躯体的SEM谱图。

图2为实施例1前躯体的TEM谱图。

图3为实施例1前躯体焙烧后所得催化剂Co²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)的SEM谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的实施方式 不限于此。

实施例1：

（1）石墨的预氧化：依次将24 ml浓H₂SO₄、5 g K₂S₂O₄和5 g  P₂O₅加入到烧瓶中， 搅拌下加入10 g石墨粉，最后在 80^oC水浴锅 中反应6小时，洗涤至中性，干燥、备 用。

（2）氧化石墨烯的制备：于500 ml烧瓶中量取115 ml 浓 H₂SO₄，在冰水浴中搅拌条件下依次将5 g预氧化石墨粉和2.5 g NaNO₃  加入到浓 H₂SO₄ 中，并慢慢加入15 g KMnO₄，搅拌反应90分钟； 然后将烧瓶转移至 35±3^oC的恒温水浴中，继续搅拌 30分钟；最后 在搅拌中加入230 ml去离子水，控制反应温度低于 98^oC，继续搅拌 30分钟；用3% H₂O₂ 30ml处理反应液至呈现金黄色，然后趁热过滤 ，用 5% HCl 和去离子水充分洗涤至滤液中无 SO4^2-。

（3）Co²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)催化剂的制备：将1 g氧化石墨转移到到1L四口 烧瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌下超声1小时得到分散 均匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓度为2mg/ml；称取0.007 mol  Co(NO₃) ₂·6H₂O，0.0035mol Mg (NO₃) ₂·6H₂O，0.0035mol  Al(NO₃) ₃·9H₂O溶解于100 ml去离子水中并倒入氧化石墨烯胶体 溶液中，搅拌30分钟并辅以超声；最后将摩尔比 [Na₂CO₃]/[Al(NO₃)₃·9H₂O]=2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保持滴 加时间为40分钟左右，碱液滴加结束时溶液pH稳定在10；最后65^oC晶 化4小时，离心、洗涤、60^oC烘干，将产物在马弗炉中500^oC空气气氛 中焙烧4小时后得到催化剂Co²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

实施例2：

本实施例除下述特征外同实施例1：将1 g氧化石墨转移到到1L四口烧 瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌下超声1小时得到分散均 匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓度为2mg/ml；称取0.014 mol  Co(NO₃) ₂·6H₂O，0.007mol Mg (NO₃) ₂·6H₂O，0.007mol Al (NO₃) ₃·9H₂O溶解于100ml去离子水中并倒入氧化石墨烯胶体溶液中 ，搅拌30分钟并辅以超声；最后将摩尔比[Na₂CO₃]/[Al(NO₃)₃·9H₂O ]=2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保持滴加时间为 40分钟左右，碱液滴加结束时溶液pH稳定在10；最后65^oC晶化4小时， 离心、洗涤、60^oC烘干，将产物在马弗炉中500^oC空气气氛中焙烧4小 时后得到催化剂Co²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

实施例3：

本实施例除下述特征外同实施例1：将1 g氧化石墨转移到到1L四口烧 瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌下超声1小时得到分散均 匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓度为2mg/ml；称取0.021 mol  Co(NO₃) ₂·6H₂O，0.0105 mol Mg (NO₃) ₂·6H₂O，0.0105 m ol Al(NO₃) ₃·9H₂O溶解于100ml去离子水中并倒入500 ml 氧化 石墨烯溶液中，搅拌30分钟并辅以超声；最后将摩尔比[Na₂CO₃]/[Al (NO₃)₃·9H₂O]=2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保 持滴加时间为40分钟左右，碱液滴加结束时溶液pH稳定在10；最后65 ^oC晶化4小时，离心、洗涤、60^oC烘干，将产物 在马弗炉中500^oC空气气氛中焙烧4小时后得到催化剂Co²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

实施例4：

本实施例除下述特征外同实施例1：将1 g氧化石墨转移到到1L四口烧 瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌下超声1小时得到分散均 匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓度为2mg/ml；称取0.007 mol  Cu(NO₃) ₂·3H₂O，0.0035 mol Mg (NO₃) ₂·6H₂O，0.0035 m ol Al(NO₃) ₃·9H₂O溶解于100 ml去离子水中并倒入氧化石墨烯胶 体溶液中，搅拌30分钟并辅以超声；最后将摩尔比[Na₂CO₃]/[Al(NO₃)₃·9H₂O]=2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保持滴 加时间为40分钟左右，碱液滴加结束时溶液pH稳定在10；最后65^oC晶 化4 小时，离心、洗涤、60^oC烘干，将产物在马弗炉中500^oC空气气 氛中焙烧4小时后得到催化剂Cu²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

实施例5：

本实施例除下述特征外同实施例1：将1 g氧化石墨转移到到1L四口烧 瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌下超声1小时得到分散均 匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓度为2mg/ml；称取0.007 mol  Ni(NO₃) ₂·6H₂O，0.0035 mol Mg (NO₃) ₂·6H₂O，0.0035 m ol Al(NO₃) ₃·9H₂O溶解于100 ml去离子水中并倒入氧化石墨烯胶 体溶液中，搅拌30分钟并辅以超声；最后将摩尔比[Na₂CO₃]/[Al(NO₃)₃·9H₂O]=2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保持滴 加时间为40分钟左右，碱液滴加结束时溶液pH稳定在10；最后65^oC晶 化4 小时，离心、洗涤、60^oC烘干，将产物在马弗炉中500^oC空气气 氛中焙烧4小时后得到催化剂Ni²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。

实施例6：

本实施例除下述特征外同实施例1：将1 g氧化石墨转移到到1L四口烧 瓶中，用去离子水将其稀释500 ml，在搅拌下超声1小时得到分散均 匀的氧化石墨烯胶体溶液，其质量浓度为2mg/ml；称取0.007 mol  Mn(NO₃)₂，0.0035mol Mg (NO₃) ₂·6H₂O，0.0035 mol Al(NO₃) ₃·9H₂O溶解于100 ml去离子水中并倒入氧化石墨烯胶体溶液中， 搅拌30分钟并辅以超声；最后将摩尔比 [Na₂CO₃]/[Al(NO₃)₃·9H₂O ]=2，[NaOH]/[Na₂CO₃]=3.2的混合碱液滴到烧瓶中，保持40分钟左右 ，碱液滴加结束时溶液pH稳定在10；最后65^oC晶化4小时，离心、洗涤 、60^oC烘干，将产物在马弗炉中500^oC空气气氛中焙烧4小时后得到催 化剂Mn²⁺₂Mg²⁺Al³⁺(O)。