一种铕镝掺杂铈锆固熔体负载铑催化剂的制备方法和应用与流程

本发明涉及一种用于催化燃烧消除挥发性有机物(vocs)的铕镝掺杂铈锆固熔体负载铑rh/nd-dy/cezro催化剂的制备，及其用于低温高效催化燃烧消除vocs系物。

背景技术：

乙酸乙酯(c4h8o2)是一种典型的挥发性有机化合物(vocs)，具有优异的溶解性、快干性，是一种用途广泛的有机化工原料和工业溶剂。被广泛用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树酯、合成橡胶、涂料及油漆等的生产过程中。甲醛(hcho)是一种典型的挥发性有机化合物(vocs)，来源主要有建筑材料，塑料，水泥和油漆等。长时间暴露于含有甲醛的空气中会对人体的健康造成严重的危害，因此，消除乙酸乙酯和甲醛是亟待解决的vocs处理问题。vocs的处理技术主要是焚烧，焚烧处理的方式有直接燃烧和催化燃烧两种，直接燃烧生成的产物易造成二次污染，催化燃烧是借助催化剂使vocs在较低的起燃温度下进行无焰燃烧分解为二氧化碳和水蒸气。本发明以乙酸乙酯和甲醛代表挥发性有机物，用所制备催化剂催化燃烧处理此类vocs。目前国内外对vocs的催化燃烧消除研究较少，而且完全催化消除vocs的反应温度较高。例如：韩国gonseoo课题组研究发表的“theeffectofmasstransferonthecatalyticcombustionofbenzeneandmethaneoverpalladiumcatalystssupportedonporousmaterials”(catal.today,83(2003)131–139)论文中，在空速为60,000h^-1，苯的浓度为10,000ppm时(空速低于本发明的100,000h^-1，苯浓度高于本发明的1000ppm)，使用fau沸石、mcm-41和kit-1负载pd催化剂对苯进行催化燃烧反应，其完全催化燃烧消除苯的温度大多在300℃以上。

本项目制备的cezro固熔体载体，因有多孔结构、具有混合价态的铈和锆离子、表面的酸碱性温和及具有优良的离子交换性能。作为一种新型的功能材料，已有报道负载型cezro固熔体在催化热分解和氧化有机物中都具有较为理想的催化活性，因而具有广阔地工业应用前景。

本项目的实施得到：国家自然科学基金项目(编号：21277008；20777005)；国家重点研发计划(2i005011201702)的资助，也是这些项目的研究内容。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使用廉价硝酸氧锆、硝酸铈为原料，使用介孔碳和分散剂调节方法制备出高比表面积和高热稳定性的铕镝掺杂铈锆固熔体负载铑rh/nd-dy/cezro催化剂，并将其用于低温催化燃烧消除挥发性有机物(vocs)。

本发明提供一种用于催化燃烧消除挥发性有机物(vocs)催化剂制备方法。

(1)本发明所提供的上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸氧锆zro(no3)2·h2o和硝酸铈ce(no3)3·6h2o加入到50-100ml蒸馏水中搅拌形成混合溶液，硝酸铈溶液浓度为0.05-0.1mol/l，n[zro(no3)2]：n[ce(no3)3]＝(0.1～1.0)：(1.0～0.1)。另外，将hpma加入到20-50ml含酚醛树脂的20–30wt％乙醇溶液中混合搅拌形成表面活性剂溶液，其中hpma：酚醛树脂＝(0.01-0.05)ml:1ml，将其加入到以上铈锆的混合溶液中，以增加溶液中盐的分散性。再将0.5-1.0gc-fdu-15(yanmeng,donggu,et.al.angew.chem.int.ed.2005,44,7053–7059)加入到以上混合溶液中形成悬浮液，其中ce(no3)3：c-fdu-15＝(0.0025-0.005)mol：1g，并以5-9w/cm²的强度超声1～2h，80-90℃下回流24-48h，80～90℃旋转蒸发将溶剂蒸发，得到固体物质，将其在纯氮气中，以1～2℃/min速率升到300℃～400℃焙烧1～4h，然后再在纯氧气中以1～2℃/min的速率，升到700℃～800℃焙烧1～4h，得到cezro固熔体。

将30～50ml浓度为0.001～0.005mol/l的硝酸铕eu(no3)3·6h2o溶液和15～50ml浓度为0.001～0.005mol/l的硝酸镝dy(no3)3·6h2o溶液混合形成[eu(edta)]^2-和[dy(edta)]^2-配合物溶液，其中n[eu(no3)3]：n[dy(no3)3]＝1：1。将配合物溶液浸渍以上cezro固熔体，其中eu(no3)3：cezro＝(0.005-0.01)mol：1g，并以5-9w/cm²的强度超声1～2h，再持续在80-90℃搅拌2～6h，再浸渍24-48h。旋蒸3～4h直至成粉末状，用乙醇洗涤，100℃～140℃干燥10～12h，在纯氧气(o2)氛中以1～2℃/min的速率，升到300℃～400℃焙烧1～4h，得到eu-dy/cezro。将其加入50-100ml水中，形成悬浮液(1.0-2.0g/ml)。

将20-50ml浓度为100g/l的ru(no)(no3)3放入塑料容量瓶中，用体积百分比浓度为5-10％的hno3溶液溶解后稀释到50-100ml，并加入到以上悬浮液中，在室温下搅拌1-2h，然后在室温下滴加naoh溶液至ph＝9-10，搅拌并在70–80℃下加热1.5-3h，抽滤，洗涤至中性，再用乙醇洗涤，然后将样品在氮气中200–300℃下煅烧4-5h，然后在300-500℃下使用5％h2/ar还原，得到rh/nd-dy/cezro。

(2)本发明还提供一种所述催化剂在低温催化燃烧消除挥发性有机物中的应用。

挥发性有机物(乙酸乙酯和甲醛为代表)的催化燃烧消除反应在固定床石英管反应器中进行。石英反应管，外径为10mm，催化剂填装量100mg。通入乙酸乙酯或甲醛与空气的混合气，其中乙酸乙酯为500ppm～1000ppm)和甲醛为50ppm～100ppm，气流空速为60,000h^-1～100,000h^-1。气相色谱tcd检测反应尾气co2和co，fid检测乙酸乙酯或甲醛和其它有机物种的含量。本发明的效果是：在以上甲醛或乙酸乙酯的浓度和空速下，本发明所制备催化剂具有较高的低温催化燃烧消除活性，在200℃～250℃时，可以完全将乙酸乙酯和甲醛转化成无毒物co2和h2o，在此温度下，100小时内保持乙酸乙酯和甲醛消除率>90％。制备催化剂所使用原料硫酸锰价格便宜，而且催化剂制备过程简单，不负载其它金属或贵金属。本发明不需要附加任何燃料，直接利用空气中o2为氧化剂，具有原材料经济实惠、使用过程能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染以及可连续工作等优点。

附图说明

图1本发明实施例1、2、3和4制备rh/nd-dy/cezro的xrd图

图2本发明实施例1、2、3和4制备rh/nd-dy/cezro的raman图

图3本发明实施例1、2、3和4制备rh/nd-dy/cezro的n2-吸附脱附图

图4本发明实施例1、2、3和4制备rh/nd-dy/cezro乙酸乙酯催化燃烧活性

图5本发明实施例1、2、3和4制备rh/nd-dy/cezro-i甲醛催化燃烧活性

图6本发明实施例1制备rh/nd-dy/cezro-i催化剂乙酸乙酯催化燃烧稳定性

图7本发明实施例1制备rh/nd-dy/cezro-i催化剂甲醛催化燃烧稳定性

具体实施方式

实施例1

(1)本发明所提供的上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸氧锆zro(no3)2·h2o和硝酸铈ce(no3)3·6h2o加入到50ml蒸馏水中搅拌形成混合溶液，硝酸铈溶液浓度为0.05mol/l，n[zro(no3)2]：n[ce(no3)3]＝0.1：1.0。另外，将hpma加入到20ml含酚醛树脂的20wt％乙醇溶液中混合搅拌形成表面活性剂溶液，其中hpma：酚醛树脂＝0.01ml:1ml，将其加入到以上铈锆的混合溶液中，以增加溶液中盐的分散性。再将0.5gc-fdu-15(yanmeng,donggu,et.al.angew.chem.int.ed.2005,44,7053–7059)加入到以上混合溶液中形成悬浮液，其中ce(no3)3：c-fdu-15＝0.0025-0.005mol：1g，并以5w/cm²的强度超声1h，80℃下回流24h，80℃旋转蒸发将溶剂蒸发，得到固体物质，将其在纯氮气中，以1℃/min速率升到300℃焙烧1h，然后再在纯氧气中以1℃/min的速率，升到700℃焙烧1h，得到cezro固熔体。

将30ml浓度为0.001mol/l的硝酸铕eu(no3)3·6h2o溶液和15ml浓度为0.001mol/l的硝酸镝dy(no3)3·6h2o溶液混合形成[eu(edta)]^2-和[dy(edta)]^2-配合物溶液，其中n[eu(no3)3]：n[dy(no3)3]＝1：1。将配合物溶液浸渍以上cezro固熔体，其中eu(no3)3：cezro＝0.005-0.01mol：1g，并以5w/cm²的强度超声1h，再持续在80℃搅拌2h，再浸渍24h。旋蒸3h直至成粉末状，用乙醇洗涤，100℃干燥10h，在纯氧气(o2)氛中以1℃/min的速率，升到300℃焙烧1h，得到eu-dy/cezro。将其加入50ml水中，形成1.0g/ml的悬浮液。

将20ml浓度为100g/l的ru(no)(no3)3放入塑料容量瓶中，用体积百分比浓度为5％的hno3溶液溶解后稀释到50ml，并加入到以上悬浮液中，在室温下搅拌1h，然后在室温下滴加naoh溶液至ph＝9，搅拌并在70℃下加热1.5h，抽滤，洗涤至中性，再用乙醇洗涤，然后将样品在氮气中200℃下煅烧4h，然后在300℃下使用5％h2/ar还原，得到rh/nd-dy/cezro-i。

(2)催化剂活性评价。乙酸乙酯浓度为500ppm/甲醛浓度为50ppm，气流空速为60,000h^-1。气相色谱tcd检测反应尾气co2和co，fid检测乙酸乙酯/甲醛和其它有机物种的含量。本发明实施例1所制得催化剂完全催化燃烧消除乙酸乙酯(100％乙酸乙酯转化率)的温度为220℃，180℃时乙酸乙酯的转化率达到50％，当温度在170℃～220℃的范围内，乙酸乙酯转化率直线升高直至达到100％，在乙酸乙酯的催化燃烧消除反应中，乙酸乙酯完全转化成co2和h2o；反应温度为165℃时甲醛的转化率达到50％，190℃时，甲醛的转化率达到100％，反应产物仅有co2和h2o。

实施例2

(1)本发明所提供的上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸氧锆zro(no3)2·h2o和硝酸铈ce(no3)3·6h2o加入到70ml蒸馏水中搅拌形成混合溶液，硝酸铈溶液浓度为0.07mol/l，n[zro(no3)2]：n[ce(no3)3]＝0.5：0.5。另外，将hpma加入到30ml含酚醛树脂的25wt％的乙醇溶液中混合搅拌形成表面活性剂溶液，其中hpma：酚醛树脂＝0.03ml:1ml，将其加入到以上铈锆的混合溶液中，以增加溶液中盐的分散性。再将0.7gc-fdu-15(yanmeng,donggu,et.al.angew.chem.int.ed.2005,44,7053–7059)加入到以上混合溶液中形成悬浮液，其中ce(no3)3：c-fdu-15＝0.003mol：1g，并以5w/cm²的强度超声1h，80℃下回流24h，80℃旋转蒸发将溶剂蒸发，得到固体物质，将其在纯氮气中，以1℃/min速率升到300℃焙烧2h，然后再在纯氧气中以1℃/min的速率，升到700℃焙烧1h，得到cezro固熔体。

将40ml浓度为0.003mol/l的硝酸铕eu(no3)3·6h2o溶液和20ml浓度为0.003mol/l的硝酸镝dy(no3)3·6h2o溶液混合形成[eu(edta)]^2-和[dy(edta)]^2-配合物溶液，其中n[eu(no3)3]：n[dy(no3)3]＝1：1。将配合物溶液浸渍以上cezro固熔体，其中eu(no3)3：cezro＝0.007mol：1g，并以7w/cm²的强度超声1h，再持续在80℃搅拌3h，再浸渍24h。旋蒸3h直至成粉末状，用乙醇洗涤，120℃干燥11h，在纯氧气(o2)氛中以1℃/min的速率，升到300℃焙烧1h，得到eu-dy/cezro。将其加入70ml水中，形成1.5g/ml的悬浮液。

将30ml浓度为100g/l的ru(no)(no3)3放入塑料容量瓶中，用体积百分比浓度为7％的hno3溶液溶解后稀释到70ml，并加入到以上悬浮液中，在室温下搅拌1h，然后在室温下滴加naoh溶液至ph＝9，搅拌并在70℃下加热2h，抽滤，洗涤至中性，再用乙醇洗涤，然后将样品在氮气中200℃下煅烧4h，然后在300℃下使用5％h2/ar还原，得到rh/nd-dy/cezro-ii。

(2)催化剂活性评价。乙酸乙酯浓度为700ppm/甲醛浓度为50ppm，气流空速为60,000h^-1。气相色谱tcd检测反应尾气co2和co，fid检测乙酸乙酯/甲醛和其它有机物种的含量。本发明实施例2所制得催化剂完全催化燃烧消除乙酸乙酯(100％转化率)的温度为255℃，225℃时乙酸乙酯的转化率达到50％，当温度在190℃～255℃的范围内，乙酸乙酯转化率直线升高直至达到100％，在乙酸乙酯的催化燃烧消除反应中，乙酸乙酯完全转化成co2和h2o；反应温度为195℃时甲醛的转化率达到50％，250℃时，甲醛的转化率达到100％，反应产物仅有co2和h2o。

实施例3

(1)本发明所提供的上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸氧锆zro(no3)2·h2o和硝酸铈ce(no3)3·6h2o加入到90ml蒸馏水中搅拌形成混合溶液，硝酸铈溶液浓度为0.09mol/l，n[zro(no3)2]：n[ce(no3)3]＝1.0：1.0。另外，将hpma加入到40ml含酚醛树脂的28wt％乙醇溶液中混合搅拌形成表面活性剂溶液，其中hpma：酚醛树脂＝0.04ml:1ml，将其加入到以上铈锆的混合溶液中，以增加溶液中盐的分散性。再将0.9gc-fdu-15(yanmeng,donggu,et.al.angew.chem.int.ed.2005,44,7053–7059)加入到以上混合溶液中形成悬浮液，其中ce(no3)3：c-fdu-15＝0.004mol：1g，并以9w/cm²的强度超声2h，90℃下回流48h，90℃旋转蒸发将溶剂蒸发，得到固体物质，将其在纯氮气中，以2℃/min速率升到400℃焙烧4h，然后再在纯氧气中以2℃/min的速率，升到800℃焙烧4h，得到cezro固熔体。

将40ml浓度为0.004mol/l的硝酸铕eu(no3)3·6h2o溶液和40ml浓度为0.004mol/l的硝酸镝dy(no3)3·6h2o溶液混合形成[eu(edta)]^2-和[dy(edta)]^2-配合物溶液，其中n[eu(no3)3]：n[dy(no3)3]＝1：1。将配合物溶液浸渍以上cezro固熔体，其中eu(no3)3：cezro＝0.009mol：1g，并以9w/cm²的强度超声2h，再持续在90℃搅拌6h，再浸渍48h。旋蒸4h直至成粉末状，用乙醇洗涤，140℃干燥12h，在纯氧气(o2)氛中以2℃/min的速率，升到400℃焙烧4h，得到eu-dy/cezro。将其加入90ml水中，形成1.9g/ml的悬浮液。

将40ml浓度为100g/l的ru(no)(no3)3放入塑料容量瓶中，用体积百分比浓度为9％的hno3溶液溶解后稀释到90ml，并加入到以上悬浮液中，在室温下搅拌2h，然后在室温下滴加naoh溶液至ph＝10，搅拌并在80℃下加热3h，抽滤，洗涤至中性，再用乙醇洗涤，然后将样品在氮气中300℃下煅烧5h，然后在500℃下使用5％h2/ar还原，得到rh/nd-dy/cezro-iii。

(2)催化剂活性评价。乙酸乙酯浓度为900ppm/甲醛浓度为100ppm，气流空速为100,000h^-1。气相色谱tcd检测反应尾气co2和co，fid检测乙酸乙酯/甲醛和其它有机物种的含量。本发明实施例3所制得催化剂完全催化燃烧消除乙酸乙酯(100％转化率)的温度为235℃，200℃时乙酸乙酯的转化率达到50％，当温度在160℃～235℃的范围内，乙酸乙酯转化率直线升高直至达到100％，在乙酸乙酯的催化燃烧消除反应中，乙酸乙酯完全转化成co2和h2o；反应温度为175℃时甲醛的转化率达到50％，215℃时，甲醛的转化率达到100％，反应产物仅有co2和h2o。

实施例4

(1)本发明所提供的上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸氧锆zro(no3)2·h2o和硝酸铈ce(no3)3·6h2o加入到100ml蒸馏水中搅拌形成混合溶液，硝酸铈溶液浓度为0.1mol/l，n[zro(no3)2]：n[ce(no3)3]＝1.0：0.1。另外，将hpma加入到50ml含酚醛树脂的30wt％乙醇溶液中混合搅拌形成表面活性剂溶液，其中hpma：酚醛树脂＝0.05ml:1ml，将其加入到以上铈锆的混合溶液中，以增加溶液中盐的分散性。再将1.0gc-fdu-15(yanmeng,donggu,et.al.angew.chem.int.ed.2005,44,7053–7059)加入到以上混合溶液中形成悬浮液，其中ce(no3)3：c-fdu-15＝0.005mol：1g，并以9w/cm²的强度超声2h，90℃下回流48h，90℃旋转蒸发将溶剂蒸发，得到固体物质，将其在纯氮气中，以2℃/min速率升到400℃焙烧4h，然后再在纯氧气中以2℃/min的速率，升到800℃焙烧4h，得到cezro固熔体。

将50ml浓度为0.005mol/l的硝酸铕eu(no3)3·6h2o溶液和50ml浓度为0.005mol/l的硝酸镝dy(no3)3·6h2o溶液混合形成[eu(edta)]^2-和[dy(edta)]^2-配合物溶液，其中n[eu(no3)3]：n[dy(no3)3]＝1：1。将配合物溶液浸渍以上cezro固熔体，其中eu(no3)3：cezro＝0.01mol：1g，并以9w/cm²的强度超声2h，再持续在90℃搅拌6h，再浸渍48h。旋蒸4h直至成粉末状，用乙醇洗涤，140℃干燥12h，在纯氧气(o2)氛中以2℃/min的速率，升到400℃焙烧4h，得到eu-dy/cezro。将其加入100ml水中，形成2.0g/ml的悬浮液。

将50ml浓度为100g/l的ru(no)(no3)3放入塑料容量瓶中，用体积百分比浓度为10％的hno3溶液溶解后稀释到100ml，并加入到以上悬浮液中，在室温下搅拌2h，然后在室温下滴加naoh溶液至ph＝10，搅拌并在80℃下加热3h，抽滤，洗涤至中性，再用乙醇洗涤，然后将样品在氮气中300℃下煅烧5h，然后在500℃下使用5％h2/ar还原，得到rh/nd-dy/cezro-iv。

(2)催化剂活性评价。乙酸乙酯浓度为1000ppm/甲醛浓度为100ppm，气流空速为100,000h^-1。气相色谱tcd检测反应尾气co2和co，fid检测乙酸乙酯/甲醛和其它有机物种的含量。本发明实施例4所制得催化剂完全催化燃烧消除乙酸乙酯(100％转化率)的温度为250℃，205℃时乙酸乙酯的转化率达到50％，当温度在180℃～250℃的范围内，乙酸乙酯转化率直线升高直至达到100％，在乙酸乙酯的催化燃烧消除反应中，乙酸乙酯完全转化成co2和h2o；反应温度为180℃时甲醛的转化率达到50％，250℃时，甲醛的转化率达到100％，反应产物仅有co2和h2o。