一种MnOx-CeO2-石墨烯气凝胶催化剂材料的制备方法与流程

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种具有疏水、低密度、高比表面积、并具有催化活性的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的制备方法。

背景技术：

大量研究证明，mn-ce氧化物能够在低温下提供电子，在反应过程中不同价态的氧化物可以相互转化，有利于氧化还原反应的进行。但是由于氧化物纳米颗粒极易聚集堆积，且其比表面积较小，催化效率不高。气凝胶材料是世界上已知的密度最低的人造物质，有“固态烟雾”之称。除了极低的表观密度之外，气凝胶还具有高孔隙率、极低的热导率和大比表面积等特点。在很多领域具有广泛的应用前景，如隔热材料、隔音材料、光学器件、超级电容器等。然而，气凝胶的高孔隙率使得这种材料非常脆弱，在实际应用环境中的力学性能差，这严重限制了气凝胶在很多领域中的应用。石墨烯拥有较高的机械强度和极大的理论比表面积，表面的大量官能团和活性位点及良好的疏水性，使其可用作吸附剂、催化剂等材料。但由于石墨烯片层间存在强烈的π-π键致使石墨烯在水溶液中极易团聚，实际的比表面积远小于理论值。三维石墨烯气凝胶继承了石墨烯和气凝胶的优异性能，表面又具有众多催化活性位点，因此在催化领域受到了广泛注意。

技术实现要素：

本发明的目的是改进现有技术的不足而提供一种mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的制备方法。

本发明基于石墨烯气凝胶高孔隙率、大比表面积、高电子迁移率、具有催化活性位点以及过渡金属氧化物mnox和稀土氧化物ceo2在催化领域具有较高的活性等优势，通过溶胶-凝胶工艺，水热还原法或化学还原法，将稀土氧化物ceo2和过渡金属氧化物mnox与石墨烯气凝胶复合，制备出具有优异、高效的催化性能的mnox-ceo2/石墨烯气凝胶催化剂材料。纳米氧化物颗粒的负载改善了石墨烯片层间的团聚，而石墨烯气凝胶作为载体，为活性组分提供了更多的催化活性位点，并提高了活性氧化物纳米粒子的分散性，使活性组分更加充分接触反应物。这种催化剂材料可以有效解决单组分材料的缺陷，从而大幅提高催化效率。所制备的mnox-ceo2/石墨烯气凝胶催化剂材料比表面积为119～145m²/g，no催化转化率为89～99％。

本发明的技术方案为：一种mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)将氧化石墨烯go在搅拌的过程中均匀分散于去离子水中，搅拌均匀得到氧化石墨烯水溶液；

(2)向步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液中滴加氨水调节ph，室温下搅拌，使之完全混合，得到混合溶液a；

(3)将锰盐和铈盐在搅拌的过程中分散于去离子水中，搅拌均匀后得到混合溶液b；

(4)将步骤(3)中的b溶液滴加到步骤(2)中的a溶液中，室温下搅拌一段时间，并超声分散一段时间，得到混合分散液；

(5)将步骤(4)中的分散液倒入水热反应釜内胆中进行水热反应，得到mnox-ceo2-石墨烯水凝胶；

(6)将步骤(5)中的mnox-ceo2-石墨烯水凝胶从炉内取出，放入去离子水中老化，每隔一段时间更换一次去离子水进行溶剂置换；

(7)将步骤(6)中的溶液置换好的样品取出，在冷冻干燥后，获得mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。

优选步骤(1)中的氧化石墨烯浓度为4～8mg/ml。

优选步骤(2)中的ph值为10～12。

优选步骤(3)中所述的锰盐为硝酸锰或氯化锰；所述的铈盐为硝酸铈或氯化铈；锰盐和铈盐中mn：ce的摩尔比为1：(0.25～4)；锰盐和铈盐总加入质量与氧化石墨烯的质量之比为(1～3)：1；去离子水加入量与步骤(1)中去离子水加入量相等。

优选步骤(4)中的搅拌转速为600～1000rpm，时间为2～4h；超声频率为80～120khz，时间为20～50min。

优选步骤(5)中的水热反应中，水热反应温度为160～190℃，水热反应时间为11～15h。

优选步骤(6)中的老化时间为4～8h，溶剂置换间隔时间为10～14h，置换次数为4～8次。

优选步骤(7)中水凝胶冷冻干燥的温度为-50～-60℃，冷冻干燥的时间为24～48h。

本发明制得的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的比表面积为119～145g/cm³，no催化转化率为89～99％。

有益效果：

(1)通过溶胶-凝胶工艺，采用水热还原法或化学还原法，将稀土氧化物ceo2和过渡金属氧化物mno2与石墨烯气凝胶复合，制备出具有优异、高效的催化性能的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。

(2)其中，在mnox-ceo2-石墨烯气凝胶复合材料催化剂中，活性组分纳米氧化物颗粒的负载使得催化剂材料既具有较高的催化活性，同时又可以改善石墨烯片层间的团聚。

(3)石墨烯气凝胶作为载体，具有较高的比表面积，并且为活性组分提供了更多的催化活性位点，同时也提高了活性氧化物纳米粒子的分散性，使活性组分更加充分接触反应物。

(4)mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料可以有效解决单组分材料的缺陷，从而大幅提高催化效率。

附图说明

图1是实例1中所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的xrd图。

图2是实例2中所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的实物图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但保护范围并不限于此。

实例1

在烧杯中将40mg氧化石墨烯(go)在搅拌的过程中均匀分散于10ml的去离子水中，室温下搅拌均匀后得到4mg/ml氧化石墨烯水溶液，向氧化石墨烯水溶液中滴加氨水使得ph达到10，室温下搅拌，使之完全混合，得到混合溶液a。取另一只烧杯加入10ml的去离子水，在去离子水中加入12mg的硝酸锰和28mg的六水硝酸铈(mn:ce的摩尔比为1:1，锰盐和铈盐总加入质量与氧化石墨烯的质量之比为1：1)，搅拌均匀后得到混合溶液b。将b溶液滴加到a溶液中，室温下转速为1000rpm，搅拌2h，并频率为120khz超声分散50min，得到混合分散液。将分散液倒入水热反应釜内胆中，在160℃水热反应15h，得到mnox-ceo2-石墨烯水凝胶。等水热反应釜温度降下之后，将水凝胶从炉内取出，老化4h放入去离子水中，每隔10h更换一次去离子水进行溶剂置换，并置换8次。将置换好的样品取出，在-50℃下冷冻干燥24h后取出，获得mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料比表面积为145m²/g，no催化转化率为99％。

图1是mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的xrd图，可以看到出现了mnox、ceo2以及石墨烯的特征峰。

实例2

在烧杯中将50mg氧化石墨烯(go)在搅拌的过程中均匀分散于10ml的去离子水中，室温下搅拌均匀后得到5mg/ml氧化石墨烯水溶液，向氧化石墨烯水溶液中滴加氨水使得ph达到10，室温下搅拌，使之完全混合，得到混合溶液a。取另一只烧杯加入10ml的去离子水，在去离子水中加入9mg的四水氯化锰和41mg的六水硝酸铈(mn:ce的摩尔比为1:2，锰盐和铈盐总加入质量与氧化石墨烯的质量之比为1：1)，搅拌均匀后得到混合溶液b。将b溶液滴加到a溶液中，室温下转速为900rpm，搅拌2.5h，并频率为110khz超声分散40min，得到混合分散液。将分散液倒入水热反应釜内胆中，在165℃水热反应14h，得到mnox-ceo2-石墨烯水凝胶。等水热反应釜温度降下之后，将水凝胶从炉内取出，老化5h放入去离子水中，每隔11h更换一次去离子水进行溶剂置换，并置换7次。将置换好的样品取出，在-50℃下冷冻干燥30h后取出，获得mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料比表面积为139m²/g，no催化转化率为98％。

图2是所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料的实物图，可以看出形成了结构完整的石墨烯气凝胶复合材料。

实例3

在烧杯中将60mg氧化石墨烯(go)在搅拌的过程中均匀分散于10ml的去离子水中，室温下搅拌均匀后得到6mg/ml氧化石墨烯水溶液，向氧化石墨烯水溶液中滴加氨水使得ph达到11，室温下搅拌，使之完全混合，得到混合溶液a。取另一只烧杯加入10ml的去离子水，在去离子水中加入14mg的硝酸锰和106mg的七水氯化铈(mn:ce的摩尔比为1:4，锰盐和铈盐总加入质量与氧化石墨烯的质量之比为2：1)，搅拌均匀后得到混合溶液b。将b溶液滴加到a溶液中，室温下转速为800rpm，搅拌3h，并频率为100khz超声分散35min，得到混合分散液。将分散液倒入水热反应釜内胆中，在170℃水热反应13h，得到mnox-ceo2-石墨烯水凝胶。等水热反应釜温度降下之后，将水凝胶从炉内取出，老化6h放入去离子水中，每隔12h更换一次去离子水进行溶剂置换，并置换6次。将置换好的样品取出，在-55℃下冷冻干燥36h后取出，获得mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料比表面积为134m²/g，no催化转化率为98％。

实例4

在烧杯中将70mg氧化石墨烯(go)在搅拌的过程中均匀分散于10ml的去离子水中，室温下搅拌均匀后得到7mg/ml氧化石墨烯水溶液，向氧化石墨烯水溶液中滴加氨水使得ph达到11，室温下搅拌，使之完全混合，得到混合溶液a。取另一只烧杯加入10ml的去离子水，在去离子水中加入67mg的四水氯化锰和73mg的六水硝酸铈(mn:ce的摩尔比为1:0.5，锰盐和铈盐总加入质量与氧化石墨烯的质量之比为2：1)，搅拌均匀后得到混合溶液b。将b溶液滴加到a溶液中，室温下转速为700rpm，搅拌3.5h，并频率为90khz超声分散30min，得到混合分散液。将分散液倒入水热反应釜内胆中，在180℃水热反应12h，得到mnox-ceo2-石墨烯水凝胶。等水热反应釜温度降下之后，将水凝胶从炉内取出，老化7h放入去离子水中，每隔13h更换一次去离子水进行溶剂置换，并置换5次。将置换好的样品取出，在-55℃下冷冻干燥42h后取出，获得mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料比表面积为128m²/g，no催化转化率为93％。

实例5

在烧杯中将80mg氧化石墨烯(go)在搅拌的过程中均匀分散于10ml的去离子水中，室温下搅拌均匀后得到8mg/ml氧化石墨烯水溶液，向氧化石墨烯水溶液中滴加氨水使得ph达到12，室温下搅拌，使之完全混合，得到混合溶液a。取另一只烧杯加入10ml的去离子水，在去离子水中加入148mg的硝酸锰和92mg的六水硝酸铈(mn:ce的摩尔比为1:0.25，锰盐和铈盐总加入质量与氧化石墨烯的质量之比为3：1)，搅拌均匀后得到混合溶液b。将b溶液滴加到a溶液中，室温下转速为600rpm，搅拌4h，并频率为80khz超声分散20min，得到混合分散液。将分散液倒入水热反应釜内胆中，在190℃水热反应11h，得到mnox-ceo2-石墨烯水凝胶。等水热反应釜温度降下之后，将水凝胶从炉内取出，老化8h放入去离子水中，每隔14h更换一次去离子水进行溶剂置换，并置换4次。将置换好的样品取出，在-60℃下冷冻干燥48h后取出，获得mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料。所制备的mnox-ceo2-石墨烯气凝胶催化剂材料比表面积为119m²/g，no催化转化率为89％。