一种核壳催化剂及其制备方法和应用

本发明属于烟气脱硫脱硝，尤其涉及一种核壳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、燃煤电厂和垃圾焚烧电厂排放的大量nox会造成酸雨、光化学烟雾和pm 2.5污染，危害生态环境和人类健康。目前主流的脱硝方法为选择性催化还原(scr)，但scr技术具有系统复杂、易产生氨泄漏导致设备堵塞、投资与运行成本高等问题。所以有必要开发一种低成本和高效率的nox脱除技术。

2、现有的研究中，核壳结构催化剂被证实具有优异的催化性能。核壳结构是指通过化学或物理手段对纳米粒子进行表面异性物质包覆，一般由中心的核体以及包覆在外部的壳层组成。壳层的包覆可以形成封闭的内部微环境以富集反应物，提高反应速率。壳层对核层的活性成分还具有保护作用，大大提高了催化剂的稳定性，防止催化剂发生团聚，延长催化剂寿命。目前核壳结构材料已广泛应用于光催化、电催化、燃料电池等领域，在烟气脱硫脱硝领域主要应用于scr催化剂。

3、现有技术提出的mnox-ceo2@tio2核壳催化剂应用于scr脱硝领域，壳层的存在降低了so2和h2o对活性中心的侵蚀，从而提高了scr催化剂的抗性。但是该催化剂在so2存在的条件下no脱除效率有较大幅度下降，实际应用条件较为苛刻。实际上，核壳催化剂的特性使得其应用于h2o2催化具有一定的可行性，然而，目前尚未有核壳催化剂应用于h2o2催化氧化脱硫脱硝领域的研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种核壳催化剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种核壳催化剂，包括fe3o4核层以及包覆于所述fe3o4核层外的tio2壳层。

3、第二方面，本发明还提供了一种所述的核壳催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、将fe3o4置于容器内，然后加入醇溶剂和乙腈，分散后，加入氨水，搅拌，得到第一混合物；

5、将钛酸四丁酯加入至醇溶剂中，搅拌得到第二混合物；

6、将第二混合物滴入至第一混合物中，于40～50℃下搅拌，固液分离后，得到核壳催化剂。

7、第三方面，本发明还提供了一种所述的核壳催化剂或所述的制备方法制备得到的核壳催化剂在烟气催化氧化脱硝中的应用。

8、本发明的一种核壳催化剂及其制备方法和应用相对于现有技术具有以下有益效果：

9、1.本发明制备得到的核壳催化剂拥有较高的比表面积和优异的孔结构以及较高的磁饱和强度。核与壳之间存在着较强相互作用，主要体现在两相之间的电子转移产生更多的fe2+和氧空位等活性位点，促进循环氧化还原反应的进行。

10、2.本发明制备得到的核壳催化剂可用于烟气催化氧化脱硝脱硫，通过haber-weiss反应能够催化h2o2生成强氧化性的·oh，高效氧化no；本发明的核壳催化剂的最佳运行工况为：反应温度140℃；烟气流量0.5l/min；h2o2浓度2mol/l；h2o2注射速率30μl/min。其中ft2催化剂拥有最高的脱硝效率，最佳工况下结合碱液吸收可以实现88％的脱硝效率；同时，本发明制备得到的核壳催化剂且具有较好的抗水性能和反应稳定性，优于负载型催化剂。核壳催化剂促进h2o2反应的原因主要有：催化剂拥有更多的活性表面积和更好的孔结构，有利于反应物的吸附；壳层的存在阻挡一部分so2，减少了so2的竞争性吸附；提供了更多的氧化还原配对和氧空位，有利于反应的循环进行。

技术特征：

1.一种核壳催化剂，其特征在于，包括fe3o4核层以及包覆于所述fe3o4核层外的tio2壳层。

2.如权利要求1所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，所述fe3o4的制备方法包括以下步骤：

4.如权利要求2所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，所述醇溶剂包括乙醇和/或甲醇；

5.如权利要求2所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，所述将fe3o4置于容器内，然后加入醇溶剂和乙腈，分散后，加入氨水的步骤中，fe3o4、醇溶剂、乙腈、氨水的质量体积比为(0.2～0.6)g:(140～160)ml:(40～60)ml:(2～5)ml，氨水的质量分数为25～30％。

6.如权利要求2所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，fe3o4中铁与钛酸四丁酯中钛的摩尔比为1:(1～3)。

7.如权利要求3所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，将fe2+盐加入至酸溶液中，得到金属离子溶液具体包括：将feso4加入至盐酸溶液中，即得金属离子溶液；其中，feso4与盐酸溶液的质量体积比为(10～20)g:(60～80)ml，盐酸溶液的ph<1；

8.一种如权利要求1所述的核壳催化剂或权利要求2～7任一所述的制备方法制备得到的核壳催化剂在烟气催化氧化脱硝中的应用。

9.如权利要求8所述的应用，包括以下步骤：

10.如权利要求8所述的应用，所述烟气的流量为0.25～2l/min，h2o2溶液的浓度为1～5mol/l，注射器的注射速率为10～50μl/min，催化反应器的温度为100～240℃，第二碱液包括naoh溶液和/或koh溶液。

技术总结
本发明提供了一种核壳催化剂及其制备方法和应用。本发明制备得到的核壳催化剂以Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;为核，TiO<subgt;2</subgt;为保护性壳层，该核壳催化剂可用于烟气催化氧化脱硝领域；本发明的核壳催化剂，具有较高的比表面积和优异的孔结构以及较高的磁饱和强度。核与壳之间存在着较强相互作用，主要体现在两相之间的电子转移产生更多的Fe<supgt;2+</supgt;和氧空位等活性位点，促进循环氧化还原反应的进行；本发明的核壳催化剂通过Haber‑Weiss反应能够催化H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;生成强氧化性的·OH，高效氧化NO。最佳工况下结合碱液吸收可以实现88％的脱硝效率。此外，催化剂还拥有良好的抗水性能和反应稳定性，且制备方法较为简便，因而具备良好的实际应用前景。

技术研发人员：王贲,孙路石,杨武,刘丰,贝雷,卢腾飞
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15