CuMn2O4@GA复合材料的合成与CO转化

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230225

摘要/Abstract

摘要：

催化氧化法在CO消除领域广泛应用，合成了单分散多孔微球催化剂CuMn₂O₄及其石墨烯气凝胶（GA）超轻复合材料CuMn₂O₄@GA。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等方法表征了材料结构。结果表明，水热法是理想的石墨烯复合材料合成方法。CuMn₂O₄@GA材料结构强度良好、质地均一，催化剂颗粒在气凝胶结构中充分分散。催化性能测试表明，CuMn₂O₄形貌与CO在其表面的吸附和催化转化行为密切相关。得益于复合材料的低密度网络结构，在60000 mL/（g（cat）·h）的高通量进气和128 ℃下实现了CO的完全转化。进气湿度对复合材料CO催化活性无明显影响，多次重复活化和使用测试表明复合材料具有良好的结构保持性和优良的应用经济性。

关键词: 一氧化碳转化, CuMn₂O _x 催化剂, 复合材料, 高通量进气

Abstract:

Catalytic oxidation has been widely used in CO elimination. A single-dispersed porous microsphere catalyst CuMn₂O₄ and its graphene composite material CuMn₂O₄@GA are synthesized. The material structure is characterized by scanning electron microscopy （SEM）， X-ray diffraction （XRD） and other methods. The results show that the hydrothermal method is an ideal method for the synthesis of graphene composite. The structure of CuMn₂O₄@GA is stable and uniform， and the catalyst particles are fully dispersed in the aerogel. Catalytic performance test shows that the adsorption and the conversion behavior of CO on the surface of CuMn₂O₄ is closely related to its morphology. Benefiting from the low-density network structure of CuMn₂O₄@GA， complete conversion of CO is achieved at a high gas flow of 60000 mL/（g（cat）·h） and 128 ℃. The water of the inlet gas has no significant effect on the catalytic activity of CuMn₂O₄@GA. Multiple repeated activation and use test show that CuMn₂O₄@GA has good structural integrity and excellent economy.

Key words: Carbon monoxide conversion, CuMn₂O _x catalyst, Composite material, High gas flux

中图分类号:

O643

秦君, 张瑜, 辛智慧, 李小梅, 张潇, 闫亭璇, 冯锋, 白云峰. CuMn₂O₄@GA复合材料的合成与CO转化[J]. 应用化学, 2023, 40(12): 1719-1725.

Jun QIN, Yu ZHANG, Zhi-Hui XIN, Xiao-Mei LI, Xiao ZHANG, Ting-Xuan YAN, Feng FENG, Yun-Feng BAI. Synthesis and CO Conversion of CuMn₂O₄@GA Composite[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2023, 40(12): 1719-1725.

图/表 5

图1 CuMn2O4@GA的合成与CO催化转化机理示意图

Fig.1 Schematic presentation of CuMn2O4@GA synthesis and CO catalytic conversion

图2 DTUC1-2的SEM（A、B）、DTUC1-2的HAADF （C、D）、EDX（E、F）和DTUC1-2@GA的SEM（G、H）表征，DTUC1@GA的水凝胶（I）及其气凝胶（J）照片

Fig.2 SEM results of DTUC1-2 （A， B）， HAADF （C， D） and EDX （E， F） of DTUC1-2， SEM of DTUC1-2@GA （G， H）， hydrogel （I） and aerogel （J） photograph of DTUC1@GA

图3 （A）材料制备不同阶段样品主要元素分析；（B） DTUC1@GA的元素分布；（C） CuMn2O4@GA的XRD图谱；（D） CuMn2O4@GA的吸附等温线及孔径分布

Fig.3 Analysis of main elements of samples at different stages of material preparation （A）； Structural uniformity of DTUC1@GA （B）； XRD spectra of CuMn2O4@GA （C）； N2 adsorption/desorption isotherms， and pore distribution （D） of CuMn2O4@GA

图4 CuMn2O4@GA的CO催化转化特性，（A） DTUC1@GA-120000 mL/（g（cat）·h）；（B） DTUC2@GA-120000 mL/（g（cat）·h）；（C） DTUC1@GA-60000 mL/（g（cat）·h）；（D） DTUC1@GA-240000 mL/（g（cat）·h）；（E）湿度对DTUC1@GA催化性能的影响；（F） DTUC1@GA重复使用测试。图E和F的测试温度为80 ℃、CO气流量为1.2 mL/min

Fig.4 CO conversion by DTUC1@GA under 120000 mL/（g（cat）·h）（A）， DTUC2@GA under 120000 mL/（g（cat）·h）（B）， DTUC1@GA under 60000 （C） and 240000 （D） mL/（g（cat）·h）， catalytic performance of DTUC1@GA in the presence of water （E）， and repeated test for DTUC1@GA （F）. In figure E and F， the temperature is 80 ℃ and the CO gas flow rate is 1.2 mL/min

表1 铜锰氧化物的CO催化转化性能对比

Table 1 Comparison of catalytic conversion of CO by various CuMnO x

Catalyst（n（Cu）∶n（Mn）=1∶2）	m（CuMnO _x ）/mg	φ（CO）/% in feed	Space velocity/（mL·g^-1（cat）·h^-1）	T₁₀₀/℃	Ref.
CuMnO _x	100	2.5	36 000	180	［2］
CuO/2MnO₂	50	1	24 000	130	［3］
CuMnO _x	100	0.67	40 000	150	［14］
Mesoporous CuMnO _x	50	1	24 000	160	［15］
CuMnO _x	60	1	50 000	125	［16］
CuMn₂O₄@GA	500	0.4	60 000	128	This study

参考文献 16

1	HARDUAR-MORANO L， WATKINS S. Review of unintentional non-fire-related carbon monoxide poisoning morbidity and mortality in Florida， 1999-2007［J］. Public Health Rep， 2011， 126（2）： 240-250.
2	DEY S， DHAL G C， PRASAD R， et al. Effects of doping on the performance of CuMnOx catalyst for CO oxidation［J］. Bull Chem React Eng Catal， 2017， 12（3）： 370.
3	QIAN K， QIAN Z， HUA Q， et al. Structure-activity relationship of CuO/MnO₂ catalysts in CO oxidation［J］. Appl Surface Sci， 2013， 273（2）： 357-363.
4	KONDRAT S A， DAVIES T E， ZU Z， et al. The effect of heat treatment on phase formation of copper manganese oxide： influence on catalytic activity for ambient temperature carbon monoxide oxidation［J］. J Catal， 2011， 281（2）： 279-289.
5	DEY S， DHAL G C. Ceria doped CuMnOx as carbon monoxide oxidation catalysts： synthesis and their characterization［J］. Surf Interfaces， 2020， 18： 100456.
6	HUTCHINGS G J， MIRZAEI A A， JOYNER R W， et al. Effect of preparation conditions on the catalytic performance of copper manganese oxide catalysts for CO oxidation［J］. Appl Catal A： General， 1998， 166（1）： 143-152.
7	TANG Z R， JONES C D， ALDRIDGE J K W， et al. New nanocrystalline Cu/MnOx catalysts prepared from supercritical antisolvent precipitation［J］. ChemCatChem， 2009， 1（2）： 247-251.
8	HU Z P， ZHU Y P， GAO Z M， et al. CuO catalysts supported on activated red mud for efficient catalytic carbon monoxide oxidation［J］. Chem Eng J， 2016， 302： 23-32.
9	LUO Z， MAO D， SHEN W， et al. Preparation and characterization of mesostructured cellular foam silica supported Cu-Ce mixed oxide catalysts for CO oxidation［J］. RSC Adv， 2017， 7（16）： 9732-9743.
10	REN H， SHI X， ZHU J， et al. Facile synthesis of N-doped graphene aerogel and its application for organic solvent adsorption［J］. J Mater Sci， 2016， 51（13）： 6419-6427.
11	李悦，李小梅，秦君，等. 氨基硅球及其复合材料的合成与金属离子吸附［J］. 化学通报， 2022， 85（9）： 1113-1120.
	LI Y， LI X M， QIN J， et al. Synthesis and metal ion adsorption of amino functionalized silica spheres and their composites［J］. Chemistry， 2022， 85（9）： 1113-1120.
12	DEY S， DHAL G C， MOHAN D， et al. The choice of precursors in the synthesizing of CuMnOx catalysts for maximizing CO oxidation［J］. Int J Ind Chem， 2018： 199-214.
13	王敬楠，于珊珊，李程，等. 石墨烯气凝胶的制备及其对有机溶剂的吸附［J］. 化工环保， 2023， 43（3）： 387-395.
	WANG J N， YU S S， LI C， et al. Preparation of graphene aerogel and its adsorption to organic solvents［J］. Environ Protect Chem Ind， 2023， 43（3）： 387-395.
14	BIEMELT T， WEGNER K， TEICHERT J， et al. Hopcalite nanoparticle catalysts with high water vapour stability for catalytic oxidation of carbon monoxide［J］. Appl Catal B： Environ， 2016， 184： 208-215.
15	HASEGAWA Y， FUKUMOTO K， ISHIMA T， et al. Preparation of copper-containing mesoporous manganese oxides and their catalytic performance for CO oxidation［J］. Appl Catal B： Environ， 2009， 89（3/4）： 420-424.
16	HASEGAWA Y I， MAKI R U， SANO M， et al. Preferential oxidation of CO on copper-containing manganese oxides［J］. Appl Catal A： General， 2009， 371（1/2）： 67-72.

[1]	张梦飞, 张久洋. 高分子基金属复合材料的前沿应用[J]. 应用化学, 2023, 40(11): 1581-1586.
[2]	刘也, 郭少波, 梁艳莉, 葛红光, 马剑琪, 刘智峰, 刘波. 核壳型纳米复合材料CuFe₂O₄@NH₂@Pt的制备及催化性能[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1237-1245.
[3]	曹从军, 马含笑, 侯成敏, 丁小健, 管飙. 乙基纤维素磁性复合材料对溶液中铜离子的吸附性能[J]. 应用化学, 2022, 39(6): 969-979.
[4]	张晨晨, 刘昱含, 赵文杰, 刘佰军, 孙昭艳, 刘万利, 王艳淼, 呼微. 氧化有机溶剂木质素基亲水性上浆剂的制备及其在聚丙烯中的应用[J]. 应用化学, 2022, 39(12): 1854-1861.
[5]	周玉凤, 周川巍, 胡桐泽, 段展鹏, 王颢潼, 石淑云. Fe/V-Sb₂O₃复合材料的构筑及光催化降解医药废水[J]. 应用化学, 2022, 39(10): 1572-1578.
[6]	史和昌, 于彦存, 韩常玉. 聚乙烯/氧化铝复合材料形态、流变和力学性能[J]. 应用化学, 2022, 39(10): 1593-1599.
[7]	李祎, 程宏达, 于彦存, 韩常玉, 陈广建, 祝英男. 高密度聚乙烯复合导热材料性能[J]. 应用化学, 2021, 38(8): 954-960.
[8]	程广增, 刘帅, 王焕磊. 钾离子电池负极的高性能潜在材料:锑[J]. 应用化学, 2021, 38(2): 170-180.
[9]	赵云萧, 王光鑫, 陈友绪, 赵桂艳. 聚合物/淀粉复合材料的制备与性能研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(11): 1432-1440.
[10]	邹呈, 高延子, 于美娜, 肖久梅, 张兰英, 杨槐. 液晶/高分子复合材料及其在反式电控调光膜中的应用研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1213-1225.
[11]	王丹, 彭海炎, 周兴平, 解孝林. 全息高分子/液晶复合材料的研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1268-1298.
[12]	张帅, 杨洋, 吉岩, 危岩. 磁响应液晶弹性体材料研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1299-1309.
[13]	顾军渭, 程蓓, 杨旭彤. 液晶功能化氮化硼/液晶环氧树脂导热复合材料的制备[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1382-1388.
[14]	邢雅艳, 史宇哲, 邓世贤, 赵柏涵, 刘志国. 儿茶素-银纳米复合材料的制备及其应用[J]. 应用化学, 2020, 37(9): 1062-1068.
[15]	高丽敏, 李璐, 周光远, 王红华, 朱忠丽. 硅土/酚酞聚芳醚砜复合材料的制备及性能[J]. 应用化学, 2020, 37(5): 524-530.

CuMn₂O₄@GA复合材料的合成与CO转化

Synthesis and CO Conversion of CuMn₂O₄@GA Composite

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