纳米片整体催化剂在光热催化方面的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于导电载体的介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂在光热催化方面的应用，尤其涉及该整体催化剂对于挥发性有机物进行光热催化处理的应用。
【背景技术】
[0002]挥发性有机化合物(简称VOCs)指常温下饱和蒸气压约大于70Pa，常压下沸点小于260°C的有机化合物的总称，其主要来源于汽车尾气排放、工业生产和能源使用过程。VOCs气体大多有毒，可诱发疾病和致癌，甚至致畸。如何经济、有效、安全地去除VOCs是一个亟需研宄的重要课题。热催化氧化以及光催化均为处理VOCs的有效方式，但热催化通常需高温、需负载贵金属，光催化易产生中间产物、光利用率较低，极大的限制了两者的发展。太阳光谱中近一半(48%)能量分布在近红外区，而一般来讲这部分光并不足以激发绝大多数光催化剂，因此多转化为热量耗散，同时引起环境温度的升高。而热量、温度升高正是热催化所必须的反应条件，如果能够将这部分能量以热催化的形式利用起来，进而达到与光催化过程的联用或者耦合，产生“1+1>2”的光热协同效应。这样一来在环境与能源领域，既可以全面有效地利用整个太阳光谱能量，同时还可以使得性能得到大幅度提升。
[0003]近20年来，国内外科学工作者围绕拓展光催化剂光谱响应范围这一目标开展了大量工作，但很少有工作关注光致热带来的优异光热协同催化性能。中国专利CN102744064A制备出的Pt/LaV04/Ti02催化剂具有良好的光热耦合性能，在有光照条件下，加热温度70?90°C时，即可对有机废气中的苯高效降解，苯的转化率达99%，矿化率达95%。中国专利CN103331156A采用水热氧化还原合成法，制得0MS-2纳米棒催化剂，该催化剂在紫外、可见、红外光及全太阳光谱范围具有高效的光致热催化净化苯、甲苯、丙酮等VOCs的催化活性。类似的工作还有中国专利CN101722057A、CN102553575A等。以上工作证明了光热催化的可能性，但也存在着利用贵金属、合成方式繁琐、材料光致热性能不高等问题。另外，相关专利的催化剂都为粉体状态，难以回收，采用的涂覆方式过程繁琐、催化剂消耗量大。传统的整体式催化剂通常将催化剂粉体负载到堇青石蜂窝陶瓷载体上，该方式存在耗时长、难以保证催化剂负载的均一性等问题。因此，开发一种简单有效的具有高效光热催化性能的整体式催化剂已经成为太阳光利用及环境净化领域的一大难题。
[0004]电化学沉积制备Co3O4的方式常用于其电化学性能方面研宄，Yuan等人采用泡沫镍为基底电化学合成Co3O4研宄其优异的超级电容器性能，中国硕士学位论文《基于Co3O4纳米材料的制备及电化学性能研宄》则以碳布为基底电沉积制备Co3O4纳米片测试其锂离子电池性能。这种电沉积方式制备的材料，在载体上分散均匀、结合紧密，将其扩展到催化领域，可有效解决传统催化粉体的负载、分散、回收等一系列难题。与此同时，载体良好的导电导热性能，也可使得整个催化剂表现出特殊的催化活性。目前为止，在光热催化方面的相关应用还未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明旨在克服现有光热催化材料利用贵金属、合成方式繁琐、材料光致热性能不高等问题，本发明提供了一种介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂在光热催化方面的应用。
[0006]本发明提供一种介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂在光热催化方面的应用，所述介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂包括导电载体、以及沉积在导电载体上的Co 304纳米片。
[0007]较佳地，所述导电载体包括泡沫镍网或不锈钢网。
[0008]较佳地，Co3O4纳米片层的厚度为I?3 μπι，Co 304纳米片的生长量为0.5?2mg/平方厘米，Co3O4纳米片的单片厚度为2?10nm。
[0009]较佳地，在导电载体沉积Co3O4纳米片的方式包括:
1)将导电载体进行表面预处理，并配置含有可溶性Co盐的电解液；
2)采用含有可溶性Co盐的电解液，通过电化学沉积法在导电载体上沉积Co(OH)2;
3)将沉积有&)(0!1)2的导电载体清洗、干燥后，进行热处理得到介孔超薄Co304纳米片整体催化剂。
[0010]较佳地，导电载体的表面预处理包括:将载体置于碱性或酸性水溶液中超声，之后在去离子水、丙酮和/或乙醇中超声，超声完成后置于干燥箱中烘干。
[0011 ] 较佳地，电解液为Co (NO3) 2.6H20水溶液，浓度为0.05?0.2mol/L。
[0012]较佳地，Co (OH) 2的电化学沉积采用三电极体系、恒电压沉积。
[0013]较佳地，三电极体系的工作电极为导电载体，对电极选用铂丝电极，参比电极为甘汞电极或者银I氯化银电极。
[0014]较佳地，恒电压为-1V?-2V，沉积时间为10?40分钟。
[0015]较佳地，热处理包括，以I?2°C /分钟的升温速率升到200-300°C保温1_3小时，然后自然冷却降温。
[0016]较佳地，介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂能够应用于挥发性有机物的光热催化处理。
[0017]本发明的有益效果:
1)本发明所制备的基于导电载体的介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂，在紫外、可见以及红外光谱有很强的吸收，具有高效的光致热催化降解VOCs的催化活性；所制备的催化剂，不到十毫克的催化剂用量所表现出的光热催化性能远高于几十毫克的P25以及Co3O4粉体；
2)本发明所制备基于导电载体的介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂，自成一体，Co3O4在载体上分散均匀，不易脱落，整个催化剂易转移易回收；
3)本发明所采用的制备方法，原料价廉易得，反应条件温和，工艺简单，且无需加入任何添加剂，无需高温煅烧，无需负载贵金属，从而极大地降低了生产成本。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例1 (左边)和实施例2 (右边)中分别以泡沫镍网和不锈钢网为基底制备的超薄Co3O4纳米片催化剂的照片；
图2为本发明的不锈钢网为基底的超薄Co3O4纳米片的SEM图(实施例2所得的催化剂样品)；
图3为实施例2所得的以不锈钢网为基底的超薄Co3O4纳米片催化剂、草酸盐燃烧法合成的Co3O4纳米粉体以及不锈钢网在500W Xe灯灯光照射下表面温度变化图；
图4为实施例1所得的样品(I片、2片、3片、4片)在500W Xe灯光源照射下，光热催化降解丙烷丙烯混合气(各50ppm)的浓度变化对比图；
图5为实施例2所得的样品、草酸盐燃烧法合成的粉体Co30450mg、P2520mg以及5nm的高活性Ti0220mg在500W Xe灯光源照射下，光热催化降解丙烷丙烯混合气(各50ppm)的浓度变化图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0020]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种基于导电载体的介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂的制备方法，获得在光照下具有优良光热催化VOCs性能的Co3O4纳米片整体催化剂。该制备方法原料价廉易得、工艺简单且易于工业化。
[0021]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:基于导电载体的介孔超薄Co3O4纳米片整体催化剂，其为以下制备方法得到的产物，包括有以下步骤:
(1)导电载体的清洗；
(2)电解液的配置；
(3)Co (OH)2的电化学沉积；
(4)将沉积有Co(OH)2的载体清洗、干燥；
(5)将干燥好的沉积有Co(OH)2的载体在马弗炉子中热处理，得到基于导电载体的Co3O4纳米片整体催化剂。
[0022]本发明所述步骤(I)导电载体的清洗:将载体置于碱性或酸性水溶液中超声30min，之后分别在去离子水、丙酮、乙醇中超声lOmin，超声完成后置于干燥箱中烘干，备用。
[0023]本发明所述载体为泡沫镍网或者不锈钢网，泡沫镍网先置于盐酸中超声以去除表层N1，不锈钢网先置于NaOH水溶液中超声。
[0024]本发明所述步骤(2)电解液的配置:电解液为Co (NO3)2.6H20水溶液，其浓度为0.05 ?0.2mol/Lo
[0025]本发明所述步骤(3) Co (OH)2的电化学沉积:采用三电极体系，以步骤I)清洗干燥好的基底作为工作电极，在步骤(2)制备好的电解液中，恒电压沉积一段时间。
[0026]本发明所述三电极体系的对电极选用铂丝电极，参比电极为甘汞电极或者银I氯化银电极。
[0027]本发明所述恒电压为-1V?-2V，沉积时间为1min?40min。
[0028]本发明所述步骤(5)将干燥好