[发明专利]一种催化氧化VOCs的自组装纳米钌催化剂、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明属于资源与环境技术领域，涉及一种负载钌催化剂、制备方法及其用途，具体涉及一种催化氧化VOCs的自组装纳米钌催化剂、制备方法及其用途，所述催化剂采用钌纳米颗粒作为活性组分，载体为金红石相二氧化钛，催化剂采用预先制备钌纳米颗粒并吸附沉积的方法合成，使得活性组分钌以最佳的形态分布在载体表面，并且金红石相二氧化钛作为载体有效的提高了催化剂的稳定性，可高效脱除多种VOCs。

背景技术

挥发性有机物(VolatileOrganicCompounds，简称VOCs)种类极多，常见的包括三苯(苯、甲苯和二甲苯)、氯苯、三氯乙烯和乙酸乙酯等。由于现代工业的不断发展，长期暴露在VOCs污染中造成的健康问题不断出现。长期处于VOCs超标的环境中，会引起慢性中毒，损害肝脏、肾脏以及神经系统。VOCs同时是一种对地球生态环境产生相当大危害的污染物，例如大浓度的VOCs会形成光化学烟雾，并且常见的一些VOCs气体如甲烷，对地球变暖也有相当大的贡献。从我国目前的VOCs排放问题来看，在严格控制VOCs产生源的同时，也要加强VOCs排放的末端治理。

通过催化氧化法在较低的温度区间对VOCs物种进行催化氧化分解，使得VOCs物种成为CO₂和H₂O等基本无污染的小分子物质，是一种非常节能、环保的VOCs控制技术。催化氧化技术可在150～500℃的温度范围内实现VOCs污染物的完全分解，对于VOCs排放浓度较低，但毒性大的物种，例如苯、甲苯等污染物同样具有良好的控制效果。

近年来，对于钌元素的催化氧化性质日益受到科研人员的关注。经过研究发现，钌在氧含量较高(例如氧气超过1vol.％)的催化体系中，形成RuO₂或者一种金属钌向RuO₂转变过程中的一种过渡态物种，这些钌种物种非常易于吸附VOCs污染物，同时又拥有较强的释放氧的能力，从而具有非常高的催化氧化活性。钌作为贵金属的一种，其价格却远低于铂、钯。因此，开发一种基于钌作为活性组分，对于多种VOCs污染物具有较强催化能力的催化剂体系具有十分重要的应用价值。

发明内容

针对已有技术的问题，本发明的目的之一在于提供一种催化氧化VOCs的钌催化剂，所述催化剂充分利用了钌的催化氧化活性并具有较高的热稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种催化氧化VOCs的自组装纳米钌催化剂，包括载体和活性组分，所述载体为金红石相二氧化钛，活性组分为钌纳米颗粒，以催化剂的质量为100wt.％计，所述活性组分钌纳米颗粒占催化剂的质量百分比≤5wt.％。

本发明的催化剂采用预先制备钌纳米颗粒溶胶并吸附沉积在载体上的方法合成(即溶胶沉积法)，使得活性组分在载体表面的分布更好。催化剂的载体为成本低廉的金红石相二氧化钛，钌纳米颗粒在富氧条件下形成的RuO₂与金红石相二氧化钛具有相同的晶胞结构，二者结合十分稳定，从而大幅提高了催化剂的热稳定性。本发明所得催化剂在催化氧化多种VOCs时都具有较高催化活性，并在催化氧化Cl-VOCs时具有很强的抗氯中毒能力。

所述活性组分钌纳米颗粒占催化剂的质量百分比例如为0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％、0.8wt.％、1.0wt.％、1.2wt.％、1.4wt.％、1.6wt.％、1.8wt.％、2.0wt.％、3.0wt.％、4.0wt.％或5.0wt.％。当钌含量为0.2～1.5wt.％时，随着钌负载量增加，催化活性不断升高；当钌纳米颗粒含量＞1.5wt.％时，随着钌负载量增加，催化活性无明显变化，从节约催化剂制备原料成本考虑优选1.0wt.％。

示例性的一种催化氧化VOCs的自组装纳米钌催化剂，包括载体和活性组分，所述载体为金红石相二氧化钛，活性组分为钌纳米颗粒，以催化剂的质量为100wt.％计，所述载体质量为99wt.％，所述活性组分钌纳米颗粒占催化剂的质量百分比为1.0wt.％。该催化剂对苯完全氧化温度为180℃，甲苯的完全氧化温度为200℃，邻二甲苯完全氧化温度为215℃，苯酚完全氧化温度160℃，氯苯完全氧化温度为250℃，2-氯苯酚完全氧化温度为185℃，三氯乙烯完全氧化温度为230℃，乙酸乙酯完全氧化温度为215℃，乙醛完全氧化温度为175℃，丙烷完全氧化温度为200℃，且反应最终产物CO₂选择性≥99.5％，基本无CO生成。