納米片整體催化劑在光熱催化方面的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于導(dǎo)電載體的介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑在光熱催化方面的應(yīng)用，尤其涉及該整體催化劑對于揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行光熱催化處理的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]揮發(fā)性有機(jī)化合物(簡稱VOCs)指常溫下飽和蒸氣壓約大于70Pa，常壓下沸點(diǎn)小于260°C的有機(jī)化合物的總稱，其主要來源于汽車尾氣排放、工業(yè)生產(chǎn)和能源使用過程。VOCs氣體大多有毒，可誘發(fā)疾病和致癌，甚至致畸。如何經(jīng)濟(jì)、有效、安全地去除VOCs是一個亟需研宄的重要課題。熱催化氧化以及光催化均為處理VOCs的有效方式，但熱催化通常需高溫、需負(fù)載貴金屬，光催化易產(chǎn)生中間產(chǎn)物、光利用率較低，極大的限制了兩者的發(fā)展。太陽光譜中近一半(48%)能量分布在近紅外區(qū)，而一般來講這部分光并不足以激發(fā)絕大多數(shù)光催化劑，因此多轉(zhuǎn)化為熱量耗散，同時引起環(huán)境溫度的升高。而熱量、溫度升高正是熱催化所必須的反應(yīng)條件，如果能夠?qū)⑦@部分能量以熱催化的形式利用起來，進(jìn)而達(dá)到與光催化過程的聯(lián)用或者耦合，產(chǎn)生“1+1>2”的光熱協(xié)同效應(yīng)。這樣一來在環(huán)境與能源領(lǐng)域，既可以全面有效地利用整個太陽光譜能量，同時還可以使得性能得到大幅度提升。
[0003]近20年來，國內(nèi)外科學(xué)工作者圍繞拓展光催化劑光譜響應(yīng)范圍這一目標(biāo)開展了大量工作，但很少有工作關(guān)注光致熱帶來的優(yōu)異光熱協(xié)同催化性能。中國專利CN102744064A制備出的Pt/LaV04/Ti02催化劑具有良好的光熱耦合性能，在有光照條件下，加熱溫度70?90°C時，即可對有機(jī)廢氣中的苯高效降解，苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)99%，礦化率達(dá)95%。中國專利CN103331156A采用水熱氧化還原合成法，制得0MS-2納米棒催化劑，該催化劑在紫外、可見、紅外光及全太陽光譜范圍具有高效的光致熱催化凈化苯、甲苯、丙酮等VOCs的催化活性。類似的工作還有中國專利CN101722057A、CN102553575A等。以上工作證明了光熱催化的可能性，但也存在著利用貴金屬、合成方式繁瑣、材料光致熱性能不高等問題。另外，相關(guān)專利的催化劑都為粉體狀態(tài)，難以回收，采用的涂覆方式過程繁瑣、催化劑消耗量大。傳統(tǒng)的整體式催化劑通常將催化劑粉體負(fù)載到堇青石蜂窩陶瓷載體上，該方式存在耗時長、難以保證催化劑負(fù)載的均一性等問題。因此，開發(fā)一種簡單有效的具有高效光熱催化性能的整體式催化劑已經(jīng)成為太陽光利用及環(huán)境凈化領(lǐng)域的一大難題。
[0004]電化學(xué)沉積制備Co3O4的方式常用于其電化學(xué)性能方面研宄，Yuan等人采用泡沫鎳為基底電化學(xué)合成Co3O4研宄其優(yōu)異的超級電容器性能，中國碩士學(xué)位論文《基于Co3O4納米材料的制備及電化學(xué)性能研宄》則以碳布為基底電沉積制備Co3O4納米片測試其鋰離子電池性能。這種電沉積方式制備的材料，在載體上分散均勻、結(jié)合緊密，將其擴(kuò)展到催化領(lǐng)域，可有效解決傳統(tǒng)催化粉體的負(fù)載、分散、回收等一系列難題。與此同時，載體良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，也可使得整個催化劑表現(xiàn)出特殊的催化活性。目前為止，在光熱催化方面的相關(guān)應(yīng)用還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有光熱催化材料利用貴金屬、合成方式繁瑣、材料光致熱性能不高等問題，本發(fā)明提供了一種介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑在光熱催化方面的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明提供一種介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑在光熱催化方面的應(yīng)用，所述介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑包括導(dǎo)電載體、以及沉積在導(dǎo)電載體上的Co 304納米片。
[0007]較佳地，所述導(dǎo)電載體包括泡沫鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)。
[0008]較佳地，Co3O4納米片層的厚度為I?3 μπι，Co 304納米片的生長量為0.5?2mg/平方厘米，Co3O4納米片的單片厚度為2?10nm。
[0009]較佳地，在導(dǎo)電載體沉積Co3O4納米片的方式包括:
1)將導(dǎo)電載體進(jìn)行表面預(yù)處理，并配置含有可溶性Co鹽的電解液；
2)采用含有可溶性Co鹽的電解液，通過電化學(xué)沉積法在導(dǎo)電載體上沉積Co(OH)2;
3)將沉積有&)(0!1)2的導(dǎo)電載體清洗、干燥后，進(jìn)行熱處理得到介孔超薄Co304納米片整體催化劑。
[0010]較佳地，導(dǎo)電載體的表面預(yù)處理包括:將載體置于堿性或酸性水溶液中超聲，之后在去離子水、丙酮和/或乙醇中超聲，超聲完成后置于干燥箱中烘干。
[0011 ] 較佳地，電解液為Co (NO3) 2.6H20水溶液，濃度為0.05?0.2mol/L。
[0012]較佳地，Co (OH) 2的電化學(xué)沉積采用三電極體系、恒電壓沉積。
[0013]較佳地，三電極體系的工作電極為導(dǎo)電載體，對電極選用鉑絲電極，參比電極為甘汞電極或者銀I氯化銀電極。
[0014]較佳地，恒電壓為-1V?-2V，沉積時間為10?40分鐘。
[0015]較佳地，熱處理包括，以I?2°C /分鐘的升溫速率升到200-300°C保溫1_3小時，然后自然冷卻降溫。
[0016]較佳地，介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑能夠應(yīng)用于揮發(fā)性有機(jī)物的光熱催化處理。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
1)本發(fā)明所制備的基于導(dǎo)電載體的介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑，在紫外、可見以及紅外光譜有很強(qiáng)的吸收，具有高效的光致熱催化降解VOCs的催化活性；所制備的催化劑，不到十毫克的催化劑用量所表現(xiàn)出的光熱催化性能遠(yuǎn)高于幾十毫克的P25以及Co3O4粉體；
2)本發(fā)明所制備基于導(dǎo)電載體的介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑，自成一體，Co3O4在載體上分散均勻，不易脫落，整個催化劑易轉(zhuǎn)移易回收；
3)本發(fā)明所采用的制備方法，原料價(jià)廉易得，反應(yīng)條件溫和，工藝簡單，且無需加入任何添加劑，無需高溫煅燒，無需負(fù)載貴金屬，從而極大地降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1 (左邊)和實(shí)施例2 (右邊)中分別以泡沫鎳網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)為基底制備的超薄Co3O4納米片催化劑的照片；
圖2為本發(fā)明的不銹鋼網(wǎng)為基底的超薄Co3O4納米片的SEM圖(實(shí)施例2所得的催化劑樣品)；
圖3為實(shí)施例2所得的以不銹鋼網(wǎng)為基底的超薄Co3O4納米片催化劑、草酸鹽燃燒法合成的Co3O4納米粉體以及不銹鋼網(wǎng)在500W Xe燈燈光照射下表面溫度變化圖；
圖4為實(shí)施例1所得的樣品(I片、2片、3片、4片)在500W Xe燈光源照射下，光熱催化降解丙烷丙烯混合氣(各50ppm)的濃度變化對比圖；
圖5為實(shí)施例2所得的樣品、草酸鹽燃燒法合成的粉體Co30450mg、P2520mg以及5nm的高活性Ti0220mg在500W Xe燈光源照射下，光熱催化降解丙烷丙烯混合氣(各50ppm)的濃度變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)而提出一種基于導(dǎo)電載體的介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑的制備方法，獲得在光照下具有優(yōu)良光熱催化VOCs性能的Co3O4納米片整體催化劑。該制備方法原料價(jià)廉易得、工藝簡單且易于工業(yè)化。
[0021]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于導(dǎo)電載體的介孔超薄Co3O4納米片整體催化劑，其為以下制備方法得到的產(chǎn)物，包括有以下步驟:
(1)導(dǎo)電載體的清洗；
(2)電解液的配置；
(3)Co (OH)2的電化學(xué)沉積；
(4)將沉積有Co(OH)2的載體清洗、干燥；
(5)將干燥好的沉積有Co(OH)2的載體在馬弗爐子中熱處理，得到基于導(dǎo)電載體的Co3O4納米片整體催化劑。
[0022]本發(fā)明所述步驟(I)導(dǎo)電載體的清洗:將載體置于堿性或酸性水溶液中超聲30min，之后分別在去離子水、丙酮、乙醇中超聲lOmin，超聲完成后置于干燥箱中烘干，備用。
[0023]本發(fā)明所述載體為泡沫鎳網(wǎng)或者不銹鋼網(wǎng)，泡沫鎳網(wǎng)先置于鹽酸中超聲以去除表層N1，不銹鋼網(wǎng)先置于NaOH水溶液中超聲。
[0024]本發(fā)明所述步驟(2)電解液的配置:電解液為Co (NO3)2.6H20水溶液，其濃度為0.05 ?0.2mol/Lo
[0025]本發(fā)明所述步驟(3) Co (OH)2的電化學(xué)沉積:采用三電極體系，以步驟I)清洗干燥好的基底作為工作電極，在步驟(2)制備好的電解液中，恒電壓沉積一段時間。
[0026]本發(fā)明所述三電極體系的對電極選用鉑絲電極，參比電極為甘汞電極或者銀I氯化銀電極。
[0027]本發(fā)明所述恒電壓為-1V?-2V，沉積時間為1min?40min。
[0028]本發(fā)明所述步驟(5)將干燥好