用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料及其制备方法与流程

本发明属于有机污染物降解领域，涉及甲醛的催化分解，具体涉及用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料及其制备方法。

背景技术：

近几年来，空气污染问题是一个越来越引起人们关注的话题。而与人类居住、生活、工作息息相关的室内空气污染更是得到我们的重视。自上个世纪九十年代以来，室内空气污染问题已经成为了一个全球性的问题。尤其是我们这个在经济、科技以及社会高速发展的国家，在近二十年来，人民的物质生活水平得到非常大的改善和提高。室内装修装饰、木板家具、家用电器设备以及繁多的化学日用品越来越多的被使用到了我们居住生活的室内环境之中。

室内空气污染物主要是挥发性有机物（volatileorganiccompounds简称vocs）。vocs指的是在常压下，其沸点在50℃至260℃之间的有机化合物。vocs

在人体肝脏、肾脏、神经等方面均具有毒性，甚至有的vocs具有致癌的作用，它严重影响到人体的健康，造成环境的污染。在众多vocs气体中，甲醛是人类生活中接触的最常见，也是最有害的气体之一。如今国际上的研究者对于甲醛的问题高度重视，进行大量的研究工作，其中在对催化降解甲醛的方法中主要包括催化和吸附等。

为了应对日益严重的室内空气污染问题，人们研究如何将污染物通过物理吸附或者化学方法进行催化降解。其中二氧化锰作为一种金属催化剂，由于其本身催化性能的优良以及不会产生中间有害产物，已经得到广泛关注和深入研究。

公开号为cn105964290a的专利公开了一种催化氧化去甲醛催化剂及其制备方法。一种催化氧化去甲醛催化剂，包括改性载体及负载于改性载体上的活性组分；所述的改性载体为经过钛酸四丁酯及硅烷偶联剂改性的多孔载体，活性组分为核-粒结构的agx-au纳米材料。该方法通过贵金属催化氧化甲醛，但是贵金属价格昂贵，并且容易失去活性，导致该发明实际应用受到很大的限制。

公开号为cn109622065a的专利公开了一种室温去除甲醛的负载型催化剂及其制备方法。这种室温去除甲醛的负载型催化剂为负载二氧化锰的多孔聚合物。这种室温去除甲醛的负载型催化剂是通过高内相乳液聚合反应制得。该发明通过乳液聚合制备的负载二氧化锰纳米粉体，分散性不行，与甲醛气体接触的比表面积较小，因而催化分解效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料，通过气凝胶负载二氧化锰纳米粉体，不仅可以实现高的暴露面积和活性位点位置，提高催化分解效率，还能作为支撑材料，实现气体的快速通过与分离。本发明的另一目的在于提供用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料的制备方法，利用水热法在成本低廉的气凝胶原位负载甲醛催化分解效率高的二氧化锰纳米材料，实现甲醛气体的快速分离与催化分解，提供的制备方法是一种工艺简单、效率高的制备方法，进一步推进甲醛分解的实际应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料，该材料是由二氧化锰纳米粉体和大孔径透气聚硅氧烷气凝胶复合而成。

所述复合材料中，二氧化锰纳米粉体质量含量为1-20%，聚硅氧烷气凝胶质量含量为80-99%。

所述聚硅氧烷气凝胶的密度为0.07~0.26g·cm^-3，孔隙率为85%~96%，孔径分布为200~2000nm。

本发明的进一步改进方案为：

用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：将高锰酸钾、草酸铵在去离子水中混合，配置为二氧化锰前驱体溶液；将二氧化锰前驱体溶液与聚硅氧烷气凝胶置于水热合成反应釜中进行水热反应，反应结束后，将制得的复合气凝胶用去离子水浸泡清洗2~5次，再用乙醇浸泡清洗2~5次，清洗后烘干即得用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料。

所述高锰酸钾、草酸铵与去离子水的质量比为0.1~2:0.2~2:40。

所述二氧化锰前驱体溶液与聚硅氧烷气凝胶的质量比为10~20：1。

所述水热反应的温度为70℃~120^oc，时间为6~24h。

所述烘干的温度为80℃~120^oc，时间为4~8h。

本发明的有益效果为：

本发明使用的气凝胶是一种具有三维纳米多孔结构的新材料，具有低密度，高孔隙率的优异性质，由于气凝胶具有独特的结构特点，可以很容易的实现相变芯材的负载。发明通过气凝胶负载二氧化锰纳米粉体，以气凝胶作为骨架材料，能够充分负载二氧化锰纳米材料，提高纳米粉体的分散性，不仅可以实现高的暴露面积和活性位点位置，提高催化分解效率，还能作为支撑材料，实现气体的快速通过与分离。

本发明利用水热法在成本低廉的气凝胶原位负载甲醛催化分解效率高的二氧化锰纳米材料，实现甲醛气体的快速分离与催化分解，提供的制备方法是一种工艺简单、效率高的制备方法，易于推广，可重复性好，适于工业化生产，进一步推进甲醛分解的实际应用。

附图说明

图1为实施例1制备的气凝胶复合材料得扫描电镜图；（请补充）

图2为实施例1制得的气凝胶复合材料催化甲醛分解时降解率随温度变化的曲线图；

图3为实施例1制得的气凝胶复合材料催化甲醛分解时降解率随时间变化的曲线图。

具体实施方式

实施例1

将高锰酸钾，草酸铵和去离子水按1:0.4:40质量比例配置为前驱体溶液。将1份的气凝胶和10份的前驱体溶液置于100ml特氟龙水热釜中，反应釜的填充率为40%，并110^oc保持12h。上述反应完成之后将气凝胶用去离子水和乙醇分别反复浸泡清洗三遍，并100^oc烘干6h，得用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料。

实施例2：

将高锰酸钾，草酸铵和去离子水按1:0.8:40质量比例配置为前驱体溶液。将1份的气凝胶和15份的前驱体溶液置于100ml特氟龙水热釜中，反应釜的填充率为40%，并70^oc保持24h。上述反应完成之后将气凝胶用去离子水和乙醇分别反复浸泡清洗三遍，并80^oc烘干8h，得用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料。

实施例3：

将高锰酸钾，草酸铵和去离子水按1:1.6:40质量比例配置为前驱体溶液。将1份的气凝胶和10份的前驱体溶液置于100ml特氟龙水热釜中，反应釜的填充率为40%，并120^oc保持6h。上述反应完成之后将气凝胶用去离子水和乙醇分别反复浸泡清洗三遍，并120^oc烘干4h，得用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料。

实施例4：

将高锰酸钾，草酸铵和去离子水按1:0.8:40质量比例配置为前驱体溶液。将1份的气凝胶和15份的前驱体溶液置于100ml特氟龙水热釜中，反应釜的填充率为40%，并90^oc保持24h。上述反应完成之后将气凝胶用去离子水和乙醇分别反复浸泡清洗三遍，并100^oc烘干6h，得用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料。

实施例5

将高锰酸钾，草酸铵和去离子水按1:0.4:40质量比例配置为前驱体溶液。将1份的气凝胶和20份的前驱体溶液置于100ml特氟龙水热釜中，反应釜的填充率为40%，并110^oc保持12h。上述反应完成之后将气凝胶用去离子水和乙醇分别反复浸泡清洗三遍，并100^oc烘干6h，得用于甲醛催化分解的气凝胶复合材料。

实施例6

图1是制备的复合气凝胶扫描电子显微照片，从图中可以看出气凝胶中的孔径较大，并且各个孔之间互相连接，负载了大量的纳米粉体。

将实施例1制备的复合气凝胶放置放置于直径1cm的石英固定床反应器中，固定床反应保持常压，外面套上加热管，升温区间为25-180℃。压缩空气作为载气使多聚甲醛通过复合硅氧烷气凝胶催化剂，混合气体流速约为100ml·min^-1，其中甲醛浓度约为100ppm。以温度为横坐标，甲醛分解率为纵坐标，绘制曲线，如图2所示，由图2可以看出，本发明制备的复合硅氧烷气凝胶甲醛催化分解能力随温度增加迅速升高，达到极限后保持平衡。

将实施例1制备的复合气凝胶放置于一个5l的密闭的玻璃反应器中，整体温度保持25℃，相对湿度为60%。向容器中充入15μl的38%的甲醛溶液，甲醛完全挥发之后容器中初始甲醛蒸气浓度约为180ppm。开始计时，以时间为横坐标，以容器中甲醛蒸气浓度为纵坐标，绘制曲线，如图3所示，从图3可以看出，本发明制备的复合硅氧烷气凝胶具有优异的甲醛分解能力。

实施例2至5制备的复合气凝胶具有相同的甲醛分解能力，此处不再赘述。