[发明专利]一种钴酸镁催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钴酸镁催化剂及其制备方法和用途。先水热合成碳球，再用硝酸钴、硝酸镁和尿素的混合水溶液浸渍碳球表面。然后，在配有聚四氟乙烯内胆的自压釜内转动晶化4小时，在碳球表面水热合成钴镁复合氢氧化物。然后，在空气中焙烧除去碳球可得钴酸镁催化剂。本发明制备催化剂具有多孔蠕虫状纳米颗粒形成的空腔形貌，即由多孔蠕虫状的纳米颗粒围成了一个个空腔。这种催化剂用于催化分解高浓度的一氧化二氮（N₂O）废气，显著提高了反应物的内外扩散速率，从而提高了催化剂活性。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体的是属于一种多孔蠕虫状纳米颗粒形成的空腔形貌钴酸镁催化剂的制备方法，以及制得的钴酸镁催化剂在高浓度一氧化二氮废气分解反应中的应用。

背景技术

随着工业发展，人为排放了大量温室气体，导致地面温度逐年上升，已引起世界各国的广泛关注。1997年12月，在日本召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议上，通过了限制二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氢氟烃、全氟烃、六氟化硫等主要温室气体排放量的《京都议定书》。2005年2月，《京都议定书》正式生效。

一氧化二氮废气的人为排放源主要是硝酸、己二酸合成等工业过程，这些工业废气如不经处理直接排放到大气中，将对生态环境造成严重破坏。

现行的对一氧化二氮废气的处理方法，一般采用热分解法或催化分解法。其中，热分解法要求分解温度1000℃以上，能耗非常高。催化分解法处理一氧化二氮废气，即在催化剂的作用下，将一氧化二氮分解为对环境无毒无害的氮气和氧气，可显著降低N₂O分解温度和能耗，是一种经济、可行的方法，现有的催化剂主要有：负载型贵金属催化剂、离子交换分子筛等，这些催化剂的价格较高，不利于实际应用。现有的催化剂还有：过渡金属氧化物及其复合氧化物。Qian等人(J.Mater.Chem.,1997,7，493-499)，Chellam等人(Chem.Mater.,2000,12，650-658)，Shen等人(J.Hazard.Mater.,2009,163,1332-1337)分别研究了Mg-Co复合氧化物催化剂催化分解N₂O。Yan等人(Appl.Catal.B:Environ.,2003,45,85-90；Catal.Commun.,2003,4,505-509)研究了Ni-Co、Zn-Co、Mg-Co复合氧化物催化剂催化分解N₂O。Stelmachowski等人(Catal.Lett.,2009,130,637-641；Appl.Catal.B:Environ.,2014,146,105-111)研究了Zn-Co、Mg-Co复合氧化物催化剂催化分解N₂O。徐秀峰等人(J.Fuel Chem.Tech.,2016,44,1494-1501)也研究了Mg-Co复合氧化物催化剂催化分解N₂O，但都没有涉及多孔蠕虫状纳米颗粒形成的空腔形貌的钴酸镁(一种Mg-Co复合氧化物)催化剂的制备方法及其在高浓度一氧化二氮废气分解中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多孔蠕虫状纳米颗粒形成的空腔形貌钴酸镁催化剂及其制备方法。

本发明另一个所要解决的技术问题是，提供上述催化剂用于催化分解高浓度的一氧化二氮废气的用途。

本发明提供的技术方案是：一种多孔蠕虫状纳米颗粒形成的空腔形貌钴酸镁催化剂的制备方法，步骤如下：先水热合成碳球，然后在碳球表面浸渍硝酸钴、硝酸镁和尿素的混合水溶液，其中钴与镁原子的摩尔比为2；钴镁原子与碳球的质量比为0.149～0.277，最佳质量比为0.192；尿素分子与钴镁原子的摩尔比为1.5～4，最佳摩尔比为2；然后，在配有聚四氟乙烯内胆的自压釜内转动晶化4小时，在碳球表面水热合成钴镁复合氢氧化物，合成温度为110～130℃，最佳合成温度为120℃；然后，在空气中500℃温度下焙烧除去碳球，同时碳球表面的钴镁复合氢氧化物脱水分解为钴酸镁。