一種納米二氧化鈦基複合催化劑及其製備方法與流程

2023-05-29 22:18:37

本發明涉及催化劑領域，具體涉及一種納米二氧化鈦基複合催化劑及其製備方法。

背景技術：

催化燃燒是指利用催化劑的催化作用，使燃料在較低的溫度下實現完全燃燒，這對改善燃燒過程、降低反應溫度、促進完全燃燒以及抑制有毒有害物質的形成等方面具有極其重要的作用。因此，該方法被廣泛應用在工業生產和日常生活等諸多領域。

催化燃燒的催化劑通常為蜂窩陶瓷型結構，即採用蜂窩陶瓷作為基體負載催化劑活性組分。但是通常蜂窩陶瓷的比表面積都比較小(約為1m2/g)，不足以分散催化劑的活性組分，這將會導致催化劑的催化活性大大降低。

因此，為了使催化劑活性組分能夠分布均勻且具有較好的催化性能，有必要提供一種新的催化劑。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供了一種納米二氧化鈦基複合催化劑，其中，金屬催化劑是包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的，由於納米二氧化鈦顆粒的比表面積較大，將金屬催化劑包覆在納米二氧化鈦顆粒表面，可以使金屬催化劑分散更均勻，提高催化劑的催化活性。

本發明第一方面提供了一種納米二氧化鈦基複合催化劑，包括基材以及設置在所述基材上的複合催化劑層，所述複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在所述納米二氧化鈦顆粒表面的金屬催化劑。

其中，所述納米二氧化鈦顆粒的粒徑為2納米-50納米。

其中，所述金屬催化劑包括貴金屬或貴金屬與稀土金屬組成的混合物。

其中，所述金屬催化劑佔所述複合催化劑層的重量百分數為1％-20％。

其中，所述複合催化劑層的厚度為10納米-500納米。

其中，所述納米二氧化鈦基複合催化劑還包括多孔納米二氧化鈦過渡層，所述多孔納米二氧化鈦過渡層介於所述基材和所述複合催化劑層之間。

其中，所述多孔納米二氧化鈦過渡膜層的多孔孔徑為2納米-100納米，所述多孔納米二氧化鈦過渡膜層的材料包括粒徑為2納米-50納米的二氧化鈦顆粒。

其中，所述納米二氧化鈦過渡層的厚度為10納米-1000納米。

本發明第一方面提供的納米二氧化鈦基複合催化劑，包括基材以及設置在所述基材上的複合催化劑層，複合催化劑層中金屬催化劑是包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的，由於納米二氧化鈦顆粒的比表面積較大，將金屬催化劑包覆在納米二氧化鈦顆粒表面，可以使金屬催化劑分散更均勻，使單位體積內的金屬催化劑的表面積增大，提高催化劑的催化活性。同時，可以節省金屬催化劑的使用量，降低催化劑的使用成本。

本發明第二方面提供了一種納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法，包括：

將含有納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠或分散體與金屬鹽溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射所述混合溶液30min-2h，使所述金屬鹽溶液中的金屬離子被還原形成金屬催化劑單質，所述金屬催化劑單質沉積在所述納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將所述含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至基材表面，然後在150-200℃下乾燥，在所述基材表面形成複合催化劑層，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；所述納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材以及設置在所述基材上的複合催化劑層，所述複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在所述納米二氧化鈦顆粒表面的金屬催化劑。

其中，先在所述基材表面設置多孔納米二氧化鈦過渡層，然後再將所述含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至設有多孔納米二氧化鈦過渡層的基材表面，得到納米二氧化鈦基複合催化劑，具體方法為：

先將含有納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠或分散體浸塗或噴塗至所述基材表面，在150-200℃下乾燥，得到表面設置有多孔納米二氧化鈦過渡層的基材，然後將所述含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至所述多孔納米二氧化鈦過渡層的表面，在150-200℃下乾燥，在所述多孔納米二氧化鈦過渡層上形成複合催化劑層，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；所述納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材、設置在所述基材上的多孔納米二氧化鈦過渡層以及設置在所述多孔納米二氧化鈦過渡層上的複合催化劑層。

本發明第二方面提供的納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法簡單易操作，製得的納米二氧化鈦基複合催化劑催化活性較強。

綜上，本發明有益效果包括以下幾個方面：

1、本發明提供的納米二氧化鈦基複合催化劑，複合催化劑層中金屬催化劑是包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的，由於納米二氧化鈦顆粒的比表面積較大，將金屬催化劑包覆在納米二氧化鈦顆粒表面，可以使金屬催化劑分散更均勻，使單位體積內的金屬催化劑的表面積增大，提高催化劑的催化活性。同時，可以節省金屬催化劑的使用量，降低催化劑的使用成本。

2、本發明提供的納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法簡單易操作，製得的納米二氧化鈦基複合催化劑催化活性較強。

附圖說明

圖1為本發明實施例1製得的多孔納米二氧化鈦過渡層的透射電鏡圖。

具體實施方式

以下所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。

本發明第一方面提供了一種納米二氧化鈦基複合催化劑，包括基材以及設置在基材上的複合催化劑層，複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的金屬催化劑。

本發明一實施方式中，基材為蜂窩陶瓷、多孔陶瓷顆粒、蜂窩金屬或金屬網。

本發明一實施方式中，蜂窩陶瓷為堇青石、莫來石或鈦酸鋁的一種。

本發明一實施方式中，對基材的孔徑大小選擇為業界常規選擇，在此不做特殊限定。

本發明一實施方式中，納米二氧化鈦顆粒的粒徑為2納米-50納米。

本發明一實施方式中，金屬催化劑的粒徑小於納米二氧化鈦顆粒的粒徑。

本發明一優選實施方式中，金屬催化劑顆粒的粒徑為1-10納米。

本發明一實施方式中，包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的金屬催化劑的厚度為5納米-10納米。

本發明一實施方式中，金屬催化劑包括貴金屬或貴金屬與稀土金屬組成的混合物。

本發明一實施方式中，貴金屬為鈀或鉑。

本發明一實施方式中，稀土金屬選自鈰或鏑。

本發明一實施方式中，當金屬催化劑為貴金屬與稀土金屬組成的混合物時，貴金屬與稀土金屬的摩爾比為100:1-10:1。

本發明一實施方式中，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為1％-20％。

本發明一優選實施方式中，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為5％-10％。

本發明一實施方式中，複合催化劑層的厚度為10納米-500納米。

本發明一優選實施方式中，複合催化劑層的厚度為50納米-100納米。

本發明一優選實施方式中，複合催化劑層為多孔結構，複合催化劑層中多孔孔徑為2納米-100納米。

本發明一實施方式中，複合催化劑層的比表面積為100-500m2/g。

本發明一實施方式中，納米二氧化鈦基複合催化劑還包括多孔納米二氧化鈦過渡層，多孔納米二氧化鈦過渡層介於基材和複合催化劑層之間。

本發明一實施方式中，多孔納米二氧化鈦過渡膜層的多孔孔徑為2納米-100納米，多孔納米二氧化鈦過渡膜層的材料包括粒徑為2納米-50納米的二氧化鈦顆粒。

本發明一實施方式中，納米二氧化鈦過渡層的厚度為10納米-1000納米。

本發明一優選實施方式中，納米二氧化鈦過渡層的厚度為100納米-300納米。

本發明一實施方式中，納米二氧化鈦過渡層的比表面積為50-500m2/g。

本發明在基材上還設置有多孔納米二氧化鈦過渡層，多孔納米二氧化鈦過渡層是由納米級的二氧化鈦顆粒組成的，多孔納米二氧化鈦過渡膜層還包括納米級的孔洞，因此，多孔納米二氧化鈦過渡膜層的比表面積較大，可以擴大基材的有效催化表面積，同時可以均勻分散金屬催化元素。此外，納米二氧化鈦過渡層熱穩定性較強，它與基材以及與複合催化劑層的結合能力均較強，可以起到穩定催化劑的作用。

本發明第一方面提供的納米二氧化鈦基複合催化劑，包括基材以及設置在基材上的複合催化劑層，複合催化劑層中金屬催化劑是包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的，由於納米二氧化鈦顆粒的比表面積較大，將金屬催化劑包覆在納米二氧化鈦顆粒表面，可以使金屬催化劑分散更均勻，使單位體積內的金屬催化劑的表面積增大，提高催化劑的催化活性。同時，可以節省金屬催化劑的使用量，降低催化劑的使用成本。

本發明第二方面提供了一種二氧化鈦納米基複合催化劑的製備方法，包括：

將含有納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠或分散體與金屬鹽溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射混合溶液30min-2h，使金屬鹽溶液中的金屬離子被還原形成金屬催化劑單質，金屬催化劑單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至基材表面，然後在150-200℃下乾燥，在基材表面形成複合催化劑層，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材以及設置在基材上的複合催化劑層，複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的金屬催化劑。

本發明一實施方式中，納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠或分散體的製備方法為業界常規選擇，如選擇溶膠-凝膠法製備納米二氧化鈦溶膠。

本發明一實施方式中，納米二氧化鈦溶膠或分散體中，納米二氧化鈦的質量濃度為1％-5％。

本發明一實施方式中，金屬鹽溶液中金屬鹽的質量濃度為0.05％-0.5％。

本發明一優選實施方式中，貴金屬鹽溶液包括鈀鹽水溶液或鉑鹽水溶液。

本發明一實施方式中，含金屬離子的水溶液還包括稀土金屬離子。

本發明一實施方式中，稀土金屬選自鈰或鏑。

本發明一實施方式中，當金屬催化劑為貴金屬與稀土金屬組成的混合物時，貴金屬與稀土金屬的摩爾比為100:1-10:1。

本發明一實施方式中，混合溶液中，納米二氧化鈦與金屬離子的質量比為10:1-100:1。

本發明一實施方式中，紫外光照射強度為1-100瓦/平方米。

本發明採用紫外光照射混合溶液從而發生了光化學反應，利用納米二氧化鈦作為光化學反應的誘導劑，在納米二氧化鈦表面發生光還原反應使金屬離子被還原形成金屬催化劑單質，金屬催化劑單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液。採用紫外光照射的方法製備複合催化劑，方法簡單易操作。

本發明一實施方式中，將含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至基材表面，浸塗或噴塗的時間為1-30分鐘。

本發明一實施方式中，浸塗或噴塗的次數可以為多次，具體次數可以根據複合催化劑的厚度進行具體選擇。

本發明一優選實施方式中，浸塗或噴塗的次數為1-3次。

本發明一實施方式中，先在基材表面設置多孔納米二氧化鈦過渡層，然後再將含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至設有多孔納米二氧化鈦過渡層的基材表面，得到納米二氧化鈦基複合催化劑，具體方法為：

先將含有納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠或分散體浸塗或噴塗至基材表面，然後在150-200℃下乾燥，得到表面設置有多孔納米二氧化鈦過渡層的基材，然後將含有複合催化劑的溶液浸塗或噴塗至多孔納米二氧化鈦過渡層的表面，在150-200℃下乾燥，在多孔納米二氧化鈦過渡層上形成複合催化劑層，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材、設置在基材上的多孔納米二氧化鈦過渡層以及設置在多孔納米二氧化鈦過渡層上的複合催化劑層。

本發明一實施方式中，浸塗或噴塗的時間為1-30分鐘。

本發明一實施方式中，浸塗或噴塗的次數可以為多次，具體浸塗或噴塗的次數可以根據複合催化劑的厚度進行具體選擇。

本發明一優選實施方式中，浸塗或噴塗的次數為1-3次。

本發明第二方面提供的製備方法簡單易操作，製得的納米二氧化鈦基複合催化劑催化活性較強。

實施例1：

一種納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法，包括：

將質量濃度為5％的納米二氧化鈦溶膠與質量濃度為0.05％的氯鉑酸水溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射混合溶液30min，紫外光照射強度為100瓦/平方米，使鉑離子被還原形成鉑單質，鉑單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將含有複合催化劑的溶液浸塗至蜂窩陶瓷表面，浸塗時間為1分鐘，然後在200℃下乾燥，在蜂窩陶瓷表面形成厚度為10納米複合催化劑層，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為1％，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材以及設置在蜂窩陶瓷上的複合催化劑層，複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的金屬鉑。

經測試，本發明實施例1製得的複合催化劑層中納米二氧化鈦顆粒的粒徑為2納米左右，金屬鉑的粒徑為1納米左右。

實施例2：

一種納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法，包括：

將質量濃度為1％的納米二氧化鈦溶膠與質量濃度為0.2％的硝酸鈀水溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射混合溶液2h，紫外光照射強度為50瓦/平方米，使鈀離子被還原形成鈀單質，鈀單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將含有複合催化劑的溶液浸塗至金屬網表面，浸塗時間為30分鐘，然後在200℃下乾燥，在金屬網表面形成厚度為500納米複合催化劑層，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為20％，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材以及設置在金屬網上的複合催化劑層，複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的金屬鈀。

經測試，本發明實施例2製得的複合催化劑層中納米二氧化鈦顆粒的粒徑為50納米左右，金屬鉑的粒徑為10納米左右。

實施例3：

一種納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法，包括：

將質量濃度為3％的納米二氧化鈦溶膠與質量濃度為0.3％的硝酸鈀水溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射混合溶液1h，紫外光照射強度為100瓦/平方米，使鈀離子被還原形成鈀單質，鈀單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將含有複合催化劑的溶液噴塗至蜂窩金屬表面，噴塗時間為30分鐘，然後在150℃下乾燥，在蜂窩金屬表面形成厚度為100納米複合催化劑層，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為10％，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材以及設置在蜂窩金屬上的複合催化劑層，複合催化劑層的材料包括納米二氧化鈦顆粒以及包覆在納米二氧化鈦顆粒表面的金屬鈀。

經測試，本發明實施例3製得的複合催化劑層中納米二氧化鈦顆粒的粒徑為30納米左右，金屬鉑的粒徑為5納米左右。

實施例4：

一種納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法，包括：

將質量濃度為2％含有納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠噴塗至金屬網表面，噴塗時間為10分鐘，在200℃下乾燥，得到表面設置有多孔納米二氧化鈦過渡層的金屬網；多孔納米二氧化鈦過渡層的厚度為100納米；

將質量濃度為1％的納米二氧化鈦溶膠與質量濃度為0.1％的硝酸鈀水溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射混合溶液1h，紫外光照射強度為100瓦/平方米，使鈀離子被還原形成鈀單質，鈀單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將含有複合催化劑的溶液浸塗至多孔納米二氧化鈦過渡膜層表面，浸塗時間為2分鐘，然後在200℃下乾燥，在多孔納米二氧化鈦過渡膜層表面形成厚度為10納米的複合催化劑層，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為5％，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材、設置在基材上的多孔納米二氧化鈦過渡層以及設置在多孔納米二氧化鈦過渡層上的複合催化劑層。

圖1為本發明實施例1製得的多孔納米二氧化鈦過渡層的透射電鏡圖；從圖1中可以看出，多孔納米二氧化鈦過渡層中具有孔洞結構，多孔納米二氧化鈦過渡膜層的多孔孔徑為15納米左右，多孔納米二氧化鈦過渡膜層的材料還包括粒徑為20納米左右的二氧化鈦顆粒。

經測試，本發明實施例2製得的複合催化劑層中納米二氧化鈦顆粒的粒徑為30納米左右，金屬鉑的粒徑為10納米左右。

實施例5：

一種納米二氧化鈦基複合催化劑的製備方法，包括：

將質量濃度為5％含有納米二氧化鈦顆粒的納米二氧化鈦溶膠噴塗至金屬網表面，噴塗時間為15分鐘，在150℃下乾燥，得到表面設置有多孔納米二氧化鈦過渡層的金屬網；多孔納米二氧化鈦過渡層的厚度為300納米；

將質量濃度為2％的納米二氧化鈦溶膠與質量濃度為0.1％的硝酸鈀水溶液混合，攪拌均勻後，得到混合溶液，用紫外光照射混合溶液1h，紫外光照射強度為20瓦/平方米，使鈀離子被還原形成鈀單質，鈀單質沉積在納米二氧化鈦顆粒的表面形成複合催化劑，從而得到含有複合催化劑的溶液；

將含有複合催化劑的溶液浸塗至多孔納米二氧化鈦過渡膜層表面，浸塗次數為3次，每次浸塗的時間為5分鐘，然後在200℃下乾燥，在多孔納米二氧化鈦過渡膜層表面形成厚度為100納米複合催化劑層，金屬催化劑佔複合催化劑層的重量百分數為5％，從而得到納米二氧化鈦基複合催化劑；納米二氧化鈦基複合催化劑包括基材、設置在基材上的多孔納米二氧化鈦過渡層以及設置在多孔納米二氧化鈦過渡層上的複合催化劑層。

經測試，本發明實施例2製得的多孔納米二氧化鈦過渡層中具有孔洞結構，多孔納米二氧化鈦過渡膜層的材料包括粒徑為50納米的二氧化鈦顆粒；多孔納米二氧化鈦過渡膜層的多孔孔徑為20納米；

經測試，本發明實施例2製得的複合催化劑層中納米二氧化鈦顆粒的粒徑為40納米左右，金屬鉑的粒徑為8納米左右。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。