催化劑成孔工藝介紹
2024-10-11 11:00:45
- 簡(jiǎn)要說明 ：
- 文件版本 ：
- 文件類型 ：
碳基臭氧催化劑介紹
科力邇碳基臭氧催化劑（KHC-PC1001）
碳基材料廣泛存在于自然界中，大多通過煤、生物質(zhì)等燃料熱解產(chǎn)生。在煤炭或生物質(zhì)熱解過程中揮發(fā)分的釋放導(dǎo)致其內(nèi)含大量孔隙結(jié)構(gòu)，燃料中包含的大分子經(jīng)過一次反應(yīng)斷鍵形成多種中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物經(jīng)過二次反應(yīng)生成最終產(chǎn)物。碳基材料表面一般含有豐富的含氧官能團(tuán)，同金屬基催化材料相比，碳基催化材料成本相對(duì)較低，具有較好比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的吸附能力。同時(shí)，其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積能夠?yàn)榛钚源呋M分的負(fù)載提供空間和表面支撐。
科力邇選用碘值1100以上，比表面積1400m2/g的活性炭為基質(zhì)制備出一種高活性的非均相臭氧催化劑——KHC-PC1001，其微觀結(jié)構(gòu)如下圖所示。其具有的高比表面積為催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，在多種化學(xué)環(huán)境下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，這使得該型碳基臭氧催化劑在酸、堿和有機(jī)溶劑中都能保持較好的催化性能。碳基臭氧催化劑還具有優(yōu)異的電子傳輸能力，這有助于加速催化反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移過程，同時(shí)碳基臭氧催化劑毒性較低，且材料來源廣泛，易于回收利用，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的要求。
碳基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)
成孔工藝
孔隙率是影響催化劑具有較高催化活性的一個(gè)至關(guān)重要的因素。高孔隙率和高表面積使反應(yīng)分子易于進(jìn)入活性物質(zhì)?？屏兊腒HC-PC1001型碳基臭氧催化劑使用的碳基體便具有多孔結(jié)后，其比表面積可超過1200 m2/g。為了避免金屬離子的摻雜導(dǎo)致碳基體部分微孔堵塞，減小成品的比表面積，科力邇的研究人員采用了多種思路來解決這一難題。
其一，便是單次負(fù)載單一負(fù)載的多次燒結(jié)工藝，該工藝在保證金屬均勻負(fù)載，最大程度增加氧化活性位點(diǎn)數(shù)量的同時(shí)，避免了金屬聚集結(jié)團(tuán)堵塞碳基體微孔的風(fēng)險(xiǎn)。
其二，便是在金屬負(fù)載的過程中添加一定比例的水溶性致孔劑，例如（PEG，PVP，PVA 等。）水溶性致孔劑在催化劑材料制備中的工作原理主要是通過其在混合過程中的均勻分布和后續(xù)的去除，形成具有特定孔結(jié)構(gòu)的催化劑，提高其催化效率。其在催化劑材料的制備過程中主要通過以下幾個(gè)步驟發(fā)揮作用：
1）溶解與混合：水溶性致孔劑通常在水相中溶解，與其他組成材料（如金屬鹽、載體等）充分混合，形成均勻的膠體或溶液。
2）聚合與成型：在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些混合物會(huì)通過加熱、冷卻、或者化學(xué)反應(yīng)等方式形成固體基體。在這一過程中，水溶性致孔劑均勻分布在固體基體中。
3）去除致孔劑：在后續(xù)的處理過程中，例如干燥或煅燒，水溶性致孔劑會(huì)被去除。由于其水溶性，可以通過簡(jiǎn)單的水洗或高溫煅燒使其揮發(fā)，從而在催化劑中形成孔隙。
4）孔結(jié)構(gòu)的形成：致孔劑的去除留下一定的空間，形成多孔結(jié)構(gòu)。這些孔隙能夠提供較大的比表面積，有助于提高催化劑的活性和選擇性。
5）催化性能優(yōu)化：通過調(diào)節(jié)水溶性致孔劑的類型、濃度以及去除的方式，可以控制最終催化劑的孔徑、孔容和分布，從而優(yōu)化其催化性能。
其三，犧牲模版金屬造孔法，利用可溶性的金屬作為模版，在催化劑煅燒過程被去除被包裹在待制備材料周圍，從而留下空腔或孔隙結(jié)構(gòu)，例如在碳基臭氧催化劑的制備過程中，Co2+、Ni2+、Fe2+中的一種或幾種金屬分別隨著Zn+一同負(fù)載在碳基體上，金屬離子可以和連接體2-甲基咪唑進(jìn)行配位并均勻分布于ZIF框架中，從而可以產(chǎn)生多金屬ZIF。目標(biāo)金屬位點(diǎn)由2-甲基咪唑連接體和鋅原子在空間上隔開，導(dǎo)致兩者之間的空間距離變得更長(zhǎng)。因此，在高溫煅燒過程中ZIF骨架中的鋅被蒸發(fā)掉后可以充當(dāng)成孔劑, 從而產(chǎn)生大量的開放通道。
表.椰殼炭與KHC-PC1001不同孔隙比表面積貢獻(xiàn)
通過以上三種方法,科力邇制備出的碳基臭氧催化劑比表面積超過1286 m2/g，在原有的碳基體基礎(chǔ)上有所提升，通過碳基體與該型碳基臭氧催化劑的掃描電鏡圖也可看出，未經(jīng)修飾的碳基體孔壁光滑，而該型號(hào)碳基臭氧催化劑的表面存在大量金屬氧化物晶體，這些金屬晶體分布均勻，對(duì)催化劑的比表面積，吸附性能以及空隙分布均有一定的提升。
碳基體與KHC-PC1001的掃描電鏡圖（10000X）
