专利名称：一种纳米氧化铁催化剂及其合成方法
技术领域：
本发明涉及CO催化氧化领域，尤其是涉及一种纳米氧化铁催化剂的合成方法。
背景技术：
氧化铁是一种传统的催化剂及负载型催化剂的载体。自纳米氧化铁CO氧化催化剂问世以来，提高其催化活性和热稳定性一直是人们关注的难题。荷兰《应用催化B-环境》(Applied Catalysis BEnvironmental，2003年，第43卷，第151页)提到，具有小尺寸和大比表面积的纳米氧化铁颗粒催化剂比传统微米级催化剂在CO氧化催化活性和热稳定性方面都有明显的提高；美国《无机化学》(Inorg.Chem.，2004年，第43卷，第6540页)报道的通过热分解法合成的中空管状结构纳米氧化铁催化剂在催化活性和热稳定性方面比前文又有较大的改善。然而以上得到的纳米氧化铁催化剂仍存在三大缺点一是催化剂的起活是个缓慢的过程，起活温区范围大于100℃；二是起活温度仍然太高，在300℃以上；三是热稳定性还是较差，如对中空管状结构的纳米氧化铁催化剂，第二次与第三次CO氧化催化测试的起活温度比第一次催化测试分别提高了12℃和28℃。这些问题的存在严重限制了纳米氧化铁催化剂的工业应用。
发明内容
本发明提出了一种合成准立方六面体纳米氧化铁催化剂的方法，目的在于制备出结构稳定、具有高的CO催化活性和热稳定性、可以发展为应用前景广阔的新一代纳米催化材料的氧化铁催化剂。
本发明采用溶剂热法合成纳米氧化铁催化剂，具体过程如下将铁盐和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面活性剂溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，充分搅拌后加入反应釜，加热至140-200℃，保温。反应后，冷却到室温，洗涤、干燥。
催化反应测试装置见附图1所示。原料气(3.33％CO，6.67％O2和90％N2)以360ml/min的流速进入反应装置，测试温度范围为150℃-300℃，反应产物的含量通过气相色谱来检测。
我们通过以上方法制备的尺度约为30-50nm、外表呈准立方六面体形貌的纳米氧化铁颗粒新型催化材料，具有高的CO氧化催化活性(起活温度为230℃，且起活温区范围小于5℃)和高的热稳定性(第二次与第三次CO氧化催化测试的起活温度比第一次催化测试分别只提高了5℃和15℃)。
本发明的纳米氧化铁催化剂，通过精确控制制备条件来控制氧化铁颗粒的形貌和催化性能；与已有的其它结构的纳米氧化铁催化剂(如无特定形貌的纳米颗粒，中空的纳米线等)相比，本发明的氧化铁CO氧化催化性能明显优越，且制备技术简单、设备要求不高、成本低廉，因而在气体净化(例如消除汽车CO尾气和香烟CO过滤)以及气体传感器等领域具有极大的应用前景。
图1为催化活性测试装置示意图1为气体流量计，2为热电偶，3为石英棉，4为催化剂。
图2为本发明合成的纳米氧化铁催化剂的透射电镜(a、c)和扫描电镜(b)照片以及结构模型(d)。
图3是本发明合成的纳米氧化铁催化剂CO催化氧化的效率曲线。
具体实施例方式
实例1将0.404g(1mmol)分析纯的带9个结晶水的硝酸铁和0.600g分子量为30000的聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂(PVP，Mw＝30000)加入70ml聚四氟乙烯水热罐中，接着用移液管准确量取36ml N，N-二甲基甲酰胺(DMF)充分搅拌得到透明的深红色溶液。然后用钢制外壳将水热罐密封，转入电阻炉中以5℃/min的升温速率加热至160℃并保温10h，而后继续以5℃/min的升温速率升温至180℃再保温20h。反应后，将水热罐自然冷却到室温。最后红色沉淀物通过水和乙醇洗涤、离心，并在空气中自然干燥后，得到红褐色氧化铁粉体催化剂.
实例2将0.270g(1mmol)氯化铁和0.600g分子量为30000的聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂(PVP，Mw＝30000)加入70ml聚四氟乙烯水热罐中，接着用移液管准确量取36ml N，N-二甲基甲酰胺(DMF)充分搅拌得到透明的深红色溶液。然后用钢制外壳将水热罐密封，转入电阻炉中以5℃/min的升温速率加热至160℃并保温10h，而后继续以5℃/min的升温速率升温至180℃再保温20h。反应后，将水热罐自然冷却到室温。最后红色沉淀物通过水和乙醇洗涤、离心，并在空气中自然干燥后，得到红褐色氧化铁粉体催化剂.
实例3将0.199g(1mmol)氯化亚铁和1.160g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂(PVP，Mw＝58000)加入70ml聚四氟乙烯水热罐中，接着用移液管准确量取36ml N，N-二甲基甲酰胺(DMF)充分搅拌得到透明的深红色溶液。然后用钢制外壳将水热罐密封，转入电阻炉中以5℃/min升温至180℃再保温30h。反应后，将水热罐自然冷却到室温。最后红色沉淀物通过水和乙醇洗涤、离心，并在空气中自然干燥后，得到红褐色氧化铁粉体催化剂。
权利要求
1.一种纳米氧化铁催化剂的合成方法，其特征在于将铁盐和聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌后加入反应釜，加热至140-200℃，保温，反应后，冷却到室温，洗涤、干燥。
2.一种采用权利要求1的方法合成纳米氧化铁催化剂，该催化剂尺度约为30-50nm、外表呈准立方六面体形貌。
全文摘要
一种纳米氧化铁催化剂及其合成方法，涉及CO催化氧化领域。将铁盐和聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂溶解于N，N－二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌后加入反应釜，加热至140－200℃，保温，反应后，冷却到室温，洗涤、干燥。该催化剂尺度约为30－50nm、外表呈准立方六面体形貌。本催化剂具有高的CO氧化催化活性(起活温度为230℃，且起活温区范围小于5℃)和高的热稳定性(第二次与第三次CO氧化催化测试的起活温度比第一次催化测试分别只提高了5℃和15℃)。
文档编号B01J37/00GK1954912SQ200510113970
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者郑远辉, 程遥, 王元生 申请人:中国科学院福建物质结构研究所