[发明专利]基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂及制备方法与应用

说明书

本发明属于催化材料技术领域，公开了一种基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂及制备方法与应用。所述催化剂由贵金属活性相和阳离子掺杂的非晶铁氧化物载体相组成，贵金属活性相以细小纳米颗粒形式弥散分布于氧化物载体相表面。本发明通过阳离子掺杂结合非晶化提升氧化物载体的氧缺陷含量，进而与细小弥散分布于载体的贵金属活性相组合构筑协同催化活性位；此外，超薄的纳米片结构在有效提高贵金属分散度的同时，可进一步改善催化剂的传质性能。基于此，非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂的综合性能接近目前报道的相应负载型贵金属催化剂。

技术领域

本发明属于催化材料技术领域，具体涉及一种基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂及制备方法与应用。

背景技术

甲醛是最常见的室内空气污染物之一，因其具有与体内蛋白质等生物质发生反应而引起生物质变性的高化学反应活性，长期暴露于含有低浓度甲醛的环境中可引起慢性中毒，甚至导致鼻咽癌和白血病等严重疾病，对人体健康造成严重的危害。因此，研究开发安全高效的甲醛防治技术具有重要意义。在现有的甲醛净化技术中，催化氧化法因其能在温和的条件下将甲醛完全催化氧化为二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)且具有能耗低和普适性强的优点，被认为是最具前景的甲醛消除技术。发展安全高效的甲醛氧化催化剂是推进催化氧化消除甲醛技术实际应用的关键。

当前常用于甲醛催化氧化的催化剂主要有两类，非贵金属催化剂(MnO₂,CeO₂和Co₃O₄等)和负载型贵金属催化剂(Pt，Au，Pd和Ag等)。目前非贵金属催化剂依然难以实现在室温环境下实现对甲醛的完全氧化；而负载型贵金属催化剂则展现出优异的低温催化性能，其可在室温下实现甲醛的完全氧化，展现出非常好的应用前景。因此，尽管贵金属催化剂存在资源稀缺与成本高昂的问题，但其表现出的优异的低温催化活性是非贵金属催化剂难以替代的。近年来，设计合成兼具高活性和低成本的负载型贵金属催化剂已成为发展甲醛催化氧化技术的主流趋势。根据文献报道，对负载型贵金属催化剂的改性主要集中于组分调制和结构优化，常采用掺杂和复合以及结构纳米化、形貌控制和缺陷调变等策略。但总体而言，贵金属催化剂仍普遍存在活性偏低、贵金属组分利用率偏低(体现为单位质量贵金属催化反应速率较低)，长期工作稳定性和耐湿性欠佳等问题[J.Hazard.Mater.395(2020)122628]，因此发展先进的负载型贵金属催化剂设计理念与可控合成方法仍是推进甲醛催化氧化技术实用化进程中亟待解决的关键问题。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂。本发明催化剂具有超薄纳米片形貌，高度弥散分布的贵金属纳米颗粒和富含氧空位的特征，兼具高本征催化活性和丰富的活性位点，可在室温条件下高效且稳定地催化甲醛氧化分解，综合催化性能接近迄今报道的最优催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂的制备方法。该方法原料易得、操作简便、便于量产。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂，由贵金属活性相和非晶态金属氧化物载体相组成，贵金属活性相以细小纳米颗粒形式弥散分布于非晶态金属氧化物载体相表面。

优选地，所述贵金属是指Pt、Pd、Ir、Rh中的至少一种；所述非晶态金属氧化物载体相为阳离子掺杂的铁氧化物。

进一步优选地，所述铁氧化物掺杂的阳离子为W、Mo、Mn阳离子中的至少一种。

优选地，所述贵金属活性相的颗粒尺寸为1～2nm；所述非晶态金属氧化物载体相的纳米片厚度为1.5-5nm。

上述基于非晶化结合阳离子掺杂改性的负载型贵金属催化剂的制备方法，包括如下制备步骤：