三维片状Na-α-MnO2的制备方法及其VOCs催化燃烧中的应用

544 编辑：中冶有色技术网来源：嘉应学院

2024-05-15 15:59:33

权利要求书： 1.一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将一定量的高锰酸钠完全溶解于含有浓盐酸的蒸馏水溶液中，搅拌溶解分散后在

80℃下反应8～12h，随后离心、洗涤、干燥得到前驱体Na?δ?MnO2；

(2)将步骤(1)中的前驱体δ?MnO2在一定温度下煅烧2小时即得具有三维片状Na?α?MnO2。

2.根据权利要求1所述的一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，其特征在于，所述高锰酸钠和浓盐酸的比例为：2.5mmol～3mmol：1mL。

3.根据权利要求2所述的一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，其特征在于，所述蒸馏水和浓盐酸的体积比为60～80:1。

4.根据权利要求3一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为

420℃。

5.权利要求1～4任一项所述的制备方法所制备的三维片状Na?α?MnO2在OCs催化燃烧中的应用。

说明书：一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法及其OCs催化燃烧中的应用

技术领域[0001] 本发明属于OCs催化剂的合成领域，具体涉及一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法及其OCs催化燃烧中的应用。背景技术[0002] 在催化燃烧技术中，催化剂的选择至关重要。该法催化剂一般分为两类：负载型贵金属催化剂和过渡金属氧化物(TMOs)催化剂。前者优点为活性优良、再生性高等，缺点为价格高、热稳定性低、易受影响失活，不易广泛生产和应用。后者优点为价格低、抗毒性强、催化活性佳、原料易得等，缺点为在高温下易失活等。比对两者的优缺点，科研工作者逐渐将目光转移到非贵金属催化剂上，并对具有更优热稳定性的非贵金属催化剂进行深入探索和研究。[0003] 二氧化锰作为常见的非贵金属催化剂常用于催化燃烧技术，二氧化锰(MnO2)是以锰氧八面体[MnO6]为结构单元，其中一个Mn位于八面体中心位置，6个O位于八面体顶角，八面体之间通过共棱方式形成八面体链，八面体链又通过棱边/顶点相结合的方式组成不同晶体结构，如α?MnO2，β?MnO2，γ?MnO2，δ?MnO2等。其中，α?MnO2具有2×2孔道结构，孔道大小+ + 2+为0.46nm，孔道中需要有阳离子(K 、NH4和Ba 等)来维持孔道结构。而且常见的制备方法，如低温液相法、水热法、溶胶凝胶法、回流法等制备的α?MnO2一般都只具备纳米棒形貌。而+

像Na离子这种体积较小的抗衡阳离子在α?MnO2的制备中一直都是难点，而且具有层状形貌的α?MnO2迄今为止还未见有相关的报道。

发明内容[0004] 为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法。本发明的另一个目的在于提供一种三维片状Na?α?MnO2在OCs催化燃烧中的应用。本发明首先合成一个热稳定性较好的Na?δ?MnO2，然后通过控制煅烧温度和煅烧时间得到一种三维片状Na?α?MnO2催化剂，本发明制备方法简单，控制方便，得到的三维片状Na?α?MnO2催化剂具有优异的甲苯催化燃烧性能。[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：[0006] 一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，包括如下步骤：[0007] (1)将一定量的高锰酸钠完全溶解于含有浓盐酸的蒸馏水溶液中，搅拌溶解分散后在80℃下反应8～12h，随后离心、洗涤、干燥得到前驱体Na?δ?MnO2；[0008] (2)将步骤(1)中的前驱体δ?MnO2在一定温度下煅烧2小时即得具有三维片状Na?α?MnO2。[0009] 进一步的，所述高锰酸钠和浓盐酸的比例为：2.5mmol～3mmol：1mL。[0010] 进一步的，所述蒸馏水和浓盐酸的体积比为60～80:1。[0011] 进一步的，所述煅烧温度为420℃。[0012] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：[0013] 本发明提供的三维片状Na?α?MnO2制备方法简单，重复性强；制备出来的三维片状Na?α?MnO2具有优异的的热稳定性能，和本发明技术领域常用的α?MnO2相比具有优异的甲苯催化燃烧性能，因此本发明对OCs催化剂的应用研究具有重大意义。附图说明[0014] 图1为实施例1制备的三维片状Na?α?MnO2的XRD图。[0015] 图2为实施例1制备的三维片状Na?α?MnO2的SEM图。[0016] 图3为实施例1制备的三维片状Na?α?MnO2的甲苯催化活性图。具体实施方式[0017] 下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。[0018] 实施例1[0019] 一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，包括如下步骤：[0020] (1)将1g40％的高锰酸钠完全溶解于60mL蒸馏水溶液中，然后加入1mL浓盐酸，随后搅拌分散均匀后置入烘箱中80℃反应8h，最后离心、洗涤、干燥得到前驱体Na?δ?MnO2；[0021] (2)将步骤(1)中的前驱体Na?δ?MnO2在420℃下煅烧2小时即得具有三维片状Na?α?MnO2。[0022] 随后我们对上述得到的材料进行了测试表征，其XRD衍射图如图1所示。从图上可知制备得到的前驱体的XRD图谱在～11.3、36.5和65.4°位置出现了明显的衍射峰，与标准卡片号为JCPDS#43?1456的δ?MnO2的(001)、(110)和(020)的晶面相对应，而且衍射峰强度高，并没有其它杂峰，说明合成了具有纯相层状结构的δ?MnO2。图2(a)为实施例1制备的前驱体的SEM图，表明该前驱体的形貌为海胆花球形貌，海胆颗粒尺寸介于2～5μm之间。而且在花球表面我们可以看出其花球由若干片层通过无序的叠加自组装而成。[0023] 通过在420℃下热处理，该前驱体的XRD变化如图1中所示，其XRD图谱在～12.8、18.2、28.8、37.5、42.0和49.8°位置出现了明显的衍射峰，与标准卡片号为JCPDS#44?0141的α?MnO2相对应，而且δ?MnO2的衍射峰已经完全消失，因此从XRD上我们可以证明实施例1制备出的催化剂已经由δ?MnO2向α?MnO2完全相变。实施例1中制备的Na?α?MnO2的SEM如图2(b)所示，我们从图中可以看出在420℃的热处理下，Na?α?MnO2的形貌依旧和前驱体(图2(a))一致，并没有发生太多的形貌变化。因此我们可以推断前驱体只是晶型发生了变化，但是形貌依旧保持一致。在本发明中，我们需严格控制高锰酸钠和盐酸的用量比例，如果盐酸用量过大，则高锰酸钠的反应过快，合成的前驱体热稳定性较差，后续的高温处理将使得前驱体直接坍塌成无定型物质，不能够发生相变生成Na?α?MnO2。

[0024] 在本发明中，选择甲苯作为污染物模型进行催化燃烧性能的研究，为了更好体现本发明催化剂的效果，我们还采用了一种本技术领域常见的α?MnO2纳米棒和δ?MnO2纳米片作为对比例，其中α?MnO2纳米棒合成方法为高锰酸钾和硫酸锰通过水热法(如Chem.Commun.2002,(7),764?765.)获得；而δ?MnO2纳米片的合成方法也是利用高锰酸钾和硫酸锰通过水热法(如Catal.Sci.Technol.2015,5(4),2305?2313.)。这些都是在本技术领域中非常常见，在本发明中不再详细描述。

[0025] 在100～270℃的温度范围内，甲苯在不同的催化剂上的催化燃烧性能如图3所示。1 ?1

在20000mL·h?·gcat 的空速下，实施例1在420℃下获得的Na?α?MnO2纳米片的T90％(转化90％甲苯的温度点)为218℃左右，而在本技术领域中常用的的α?MnO2纳米棒和δ?MnO2纳米片的T90为250℃左右，因此我们本发明所制备的Na?α?MnO2纳米片提高了将近30℃，这表明Na?α?MnO2纳米片在甲苯燃烧中具有明显的优势。

[0026] 实施例2[0027] 一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，包括如下步骤：[0028] (1)将1g40％的高锰酸钠完全溶解于50mL蒸馏水溶液中，然后加入1mL浓盐酸，随后搅拌分散均匀后置入烘箱中80℃反应8h，最后离心、洗涤、干燥得到前驱体Na?δ?MnO2；[0029] (2)将步骤(1)中的前驱体Na?δ?MnO2在420℃下煅烧2小时即得具有三维片状Na?α?MnO2。[0030] 所得样品的XRD、SEM和甲苯燃烧性能与实施例1类似。[0031] 实施例3[0032] 一种三维片状Na?α?MnO2的制备方法，包括如下步骤：[0033] (1)将1g40％的高锰酸钠完全溶解于80mL蒸馏水溶液中，然后加入1mL浓盐酸，随后搅拌分散均匀后置入烘箱中80℃反应8h，最后离心、洗涤、干燥得到前驱体Na?δ?MnO2；[0034] (2)将步骤(1)中的前驱体Na?δ?MnO2在420℃下煅烧2小时即得具有三维片状Na?α?MnO2。[0035] 所得样品的XRD、SEM和甲苯燃烧性能与实施例1类似。[0036] 以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。