Способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода



Способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода
Способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода
Способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода

 


Владельцы патента RU 2614761:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) (RU)

Изобретение относится к области разработки способа получения фотокатализатора на основе диоксида титана, модифицированного частицами платины, проявляющего активность под действием ультрафиолетового излучения в реакции фотокаталитического окисления монооксида углерода при комнатной температуре. Фотокатализатор, преимущественно, предназначен для фотокаталитической очистки воздуха от загрязнения монооксидом углерода, а также от монооксида углерода, образующегося в качестве побочного продукта при фотокаталитическом окислении органических загрязнителей. Описан способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода, который готовят путем добавления этанола и соединения-предшественника платина в водную суспензию диоксида титана, ее перемешивания, освещения ультрафиолетовым излучением, с последующим отделением осадка центрифугированием, его промывкой и сушкой. Технический результат заключается в окислении монооксида углерода при комнатной температуре с высокой скоростью. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил., 9 пр.

 

Изобретение относится к области разработки способа получения фотокатализатора, состоящего из диоксида титана, модифицированного частицами платины, и предназначенного преимущественно для фотокаталитического окисления монооксида углерода (СО) с целью защиты окружающей среды и очистки воздуха от загрязнений СО.

Монооксид углерода - один из самых ядовитых и распространенных загрязнителей воздуха во многих городах мира. При взаимодействии СО с гемоглобином крови образуется карбоксигемоглобин, который блокирует процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания.

В результате деятельности человека в атмосферу ежегодно поступает (350-600)⋅106 т СО. Более половины этого количества (56-62%) приходится на долю автотранспорта, при этом содержание СО в выхлопных газах автомобилей достигает 12%. Нахождение человека в помещении с концентрацией СО в воздухе более 1250 мг/м3 в течение 1 ч приводит к летальному исходу. Поэтому необходима очистка воздуха жилых и рабочих помещений от монооксида углерода.

Для решения этой проблемы используются различные способы.

Известен способ прямого сжигания монооксида углерода в горючих смесях (RU 2541344, F23G 7/06, 18.10.2013). Данный способ позволяет снизить выбросы монооксида углерода в дренажных газах, образующихся при экспериментальной отработке энергетических установок, ниже предельно допустимой концентрации (ПДК рабочей зоны). Способ основан на формировании и введении дренажных газов в предварительно разогретую смесь воздуха со вспомогательным топливом, ее воспламенение и сжигание с образованием высокотемпературного газового потока в проточной части реакционной зоны. Недостатками данного способа является то, что окисление происходит при температуре 870-950°С и абсолютном давлении 1,5 ата. Причем используется избыток топлива по отношению к смеси вредных веществ. Основным недостатком данного метода также является неспособность окислять малые концентрации СО и, как следствие, его неэффективность при очистке воздуха помещений.

Известен способ каталитического дожигания монооксида углерода (RU 2500469, B01J 23/62, 22.11.2012). Предложенный наноструктурированный катализатор состоит из носителя - диоксида олова, и активного компонента - нанесенных частиц платины. Данный катализатор обеспечивает полную конверсию СО в CO2 при температуре 180°С. Тем не менее начальная температура, при которой начинает происходить окисление СО, составляет только лишь 80°С. При более низких температурах катализатор является неактивным. Поэтому основным недостатком данного способа является отсутствие способности к окислению СО при температурах, близких к комнатным, а также при очень малых концентрациях СО, что приводит к малой эффективности данного способа для очистки воздуха помещений.

Известен способ каталитической очистки воздуха от органических примесей и СО (RU 2051733, B01D 53/86, 10.01.1996) путем добавления озона в очищаемый воздушный поток с последующей подачей воздушной смеси в реактор с катализатором на основе активированного угля. Рабочее соотношение озон : кислород воздуха в смешанном потоке отработанного воздуха и озоно-воздушной смеси составляет 1:(2-4), а соотношение озон : органические загрязнения - 1:(2-10). Недостатком данного способа является использование специального озонатора для генерации озона в количествах, существенно превышающих ПДК, а также необходимость непрерывного поддержания повышенной температуры активированного угля (от 50 до 100°С) для эффективного разложения органических примесей и СО на его поверхности. Сложность конструкции специального озонатора и необходимость непрерывного контроля концентрации образующегося озона приводит к малой эффективности данного способа в случае очистки воздуха в закрытых помещениях.

Отличительная особенность окисления СО в воздухе закрытых помещений состоит в том, что концентрация СО находится в пределах до 100-1000 млн. д. атм. При этом процесс окисления должен протекать при температуре и влажности окружающего воздуха. Все перечисленные выше способы являются неэффективными в данных условиях и не способны проводить очистку воздуха от таких малых концентраций СО. Наиболее эффективным способом очистки воздуха от малых концентраций загрязняющих веществ при комнатных температуре и влажности является фотокаталитическое окисление (RU 2259866, B01D 53/86, 10.09.2005).

Способ фотокаталитического окисления основан на том, что под действием квантов света с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводникового фотокатализатора, происходит образование электрон-дырочных пар в объеме фотокатализатора. Образовавшиеся электрон и дырка могут мигрировать к поверхности фотокатализатора и принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях с адсорбированными соединениями. Тем самым обеспечивается высокая скорость окисления даже малых концентраций загрязняющих веществ при комнатных условиях.

Самым известным полупроводниковым фотокатализатором является диоксид титана, который относительно недорог и практически нетоксичен. Окислительный потенциал дырки на поверхности TiO2 составляет примерно +3 В относительно нормального водородного электрода, и это значит, что с его помощью можно окислить до CO2 и воды практически любые вещества.

Тем не менее для фотокаталитического способа очистки воздуха известен и ряд недостатков. Во-первых, низкая адсорбционная способность большинства простых фотокатализаторов по отношению к СО и, как следствие, низкая скорость фотокаталитического окисления СО. Во-вторых, возможность образования СО в качестве побочного продукта при окислении больших концентраций загрязнителей органической природы.

Наиболее близким к данному изобретению является способ получения фотокатализатора (A.V. Voronstsov, E.N. Savinov, E.N. Kurkin, O.D. Torbova, V.N. Parmon. Kinetic features of the steady state photocatalytic CO oxidation by air on TiO2, React. Kinet. Catal. Lett., 62(1997), 83-88), который проявляет активность в реакции окисления монооксида углерода, заключающийся в разложении сульфата титана на воздухе при 750°С. Указанный способ позволяет получать фотокатализатор, представляющий собой диоксид титана анатазной модификации с удельной поверхностью 36 м2/г, который способен окислять монооксид углерода при воздействии УФ-излучения при комнатных условиях. Основным недостатком данного способа является то, что получаемый фотокатализатор обладает очень низкой скоростью окисления СО, таким образом, что квантовая эффективность процесса составляет менее 0,4%.

Из приведенных выше примеров видно, что не удается добиться того, чтобы используемый способ и получаемый катализатор: 1) обеспечивали высокую скорость окисления монооксида углерода под действием ультрафиолетового излучения; 2) работали при комнатной температуре и соответствующей влажности воздуха; 3) были просты в эксплуатации и пригодны для очистки воздуха в помещениях.

Изобретение ставит своей задачей разработку способа получения высокоактивного фотокатализатора на основе диоксида титана для фотокаталитического способа удаления СО.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода, характеризующийся тем, что фотокатализатор готовят добавлением этанола и соединения-предшественника платины в водную суспензию диоксида титана и ее освещением ультрафиолетовым излучением при постоянном перемешивании, с последующим отделением осадка центрифугированием, его промывкой и сушкой. В качестве соединения-предшественника платины используют платинохлористоводородную кислоту. Используют нанокристаллический диоксид титана анатазной модификации с удельной поверхностью более 50 м2/г или нанокристаллический диоксид титана с удельной поверхностью более 50 м2/г, являющийся смесью анатаза и рутила с содержанием фазы рутила не более 30 мас. %. Освещение ультрафиолетовым излучением проводят в течение, как минимум, 3 ч. Объем аликвоты добавляемого соединения-предшественника платина подбирают таким образом, чтобы содержание платины в фотокатализаторе составляло 0,2-4,0 мас. %.

Более подробно катализатор готовят путем нанесения частиц металлической платины на нанокристаллический диоксид титана с высокой удельной поверхностью, находящийся в анатазной модификации или являющийся смесью анатаза с рутилом. Способ получения заключается в добавлении в водную суспензию диоксида титана 10 мл этанола и аликвоты платинохлористоводородной кислоты (H2PtCl6) определенного объема. Далее суспензию перемешивают в течение 1 ч для равномерного распределения частиц диоксида титана по всему объему суспензии и для адсорбции молекул соединения-предшественника благородного металла на поверхности TiO2. Затем проводят восстановление соединения-предшественника путем облучения полученной суспензии ультрафиолетовым излучением в течение 3 ч, при этом этанол выступает в качестве жертвенного агента и является донором электронов. В качестве источника ультрафиолетового излучения используют мощный УФ светодиод. Общая мощность ультрафиолетового излучения составляет 2,1 Вт. После облучения осадок отделяют от маточного раствора методом центрифугирования. После каждого центрифугирования проводят декантацию и добавляют новую порцию воды для промывания осадка. Цикл центрифугирования и отмывки повторяют 10 раз. Отмытый образец сушат при температуре 120°С в течение 12 ч.

Схема синтеза фотокатализаторов представлена на Фиг. 1.

Задача решается также способом окисления монооксида углерода в присутствии описанного выше катализатора. Концентрация монооксида углерода в реакционной смеси составляет не более 1000 млн. д. атм. Тестирование фотокатализаторов проводят в статическом реакторе, термостатированном при температуре 25°С. Относительная влажность воздуха составляет 30%. Измерение концентраций веществ в реакторе проводят с помощью ИК-Фурье спектрометра Nicolet 380 (Thermo Fisher Scientific, Германия).

Принцип работы получаемого предлагаемым способом фотокатализатора заключается в следующем: молекулы монооксида углерода адсорбируются на поверхности частиц платины, после чего мигрируют к границе раздела Pt-TiO2, где реагируют с активными формами кислорода, образующимися на поверхности TiO2 при его облучении ультрафиолетовым излучением.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать фотокатализатор, который: 1) эффективен в окислении монооксида углерода; 2) работает при комнатных температурах и соответствующей влажности воздуха; 3) прост в эксплуатации и может быть использован для очистки воздуха помещений.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

В примерах в качестве диоксида титана используют коммерческий диоксид титана марки Hombifine N фирмы Sachtleben Chemie GmbH (Германия), являющийся 100% анатазом с характерным размером кристаллитов, равным 10-15 нм, и с высокой удельной поверхностью (SБЭТ=347 м2/г) и большим средним диаметром пор (4,9 нм), или коммерческий диоксид титана марки Р25 фирмы Evonik Ind. (Германия), являющийся смесью анатаза с рутилом (содержание фазы рутила составляет 30 мас. %) со средним размером кристаллитов, равным 30 нм, и с удельной поверхностью, равной 52 м2/г. В качестве соединения-предшественника платины используют платинохлористоводородную кислоту (H2PtCl6, «Ч», «АУРАТ»).

Для сравнительных примеров используют исходные диоксиды титана TiO2 Hombifine N и TiO2 Р25, а также диоксид титана TiO2 Hombifine N, обработанный согласно описанному выше способу, но без добавления предшественника платины.

Примеры 1-6 иллюстрируют сущность изобретения.

Пример 1.

В стакан объемом 100 мл помещают 5 г исходного диоксида титана TiO2 Hombifine N и приливают 30 мл дистиллированной воды и 10 мл этанола. Полученную суспензию перемешивают на магнитной мешалке со скоростью 500 обр./мин для равномерного распределения частиц TiO2 по всему объему суспензии. В качестве предшественника Pt используют 0,39 М раствор H2PtCl6 в 0,05 М HCl. С помощью микропипетки (ThermoFischer Scientific, США) к суспензии TiO2 приливают 131 мкл раствора предшественника и перемешивают в течение 1 ч для установления адсорбционного равновесия соединений металла на поверхности частиц TiO2. Для восстановления предшественника полученную суспензию облучают ультрафиолетовым излучением мощного УФ светодиода в течение 3 ч. Общая мощность ультрафиолетового излучения составляет 2,1 Вт. После этого осадок отделяют от маточного раствора методом центрифугирования. После каждого центрифугирования проводят декантацию и добавляют новую порцию воды для промывания осадка. Цикл центрифугирования и отмывки повторяют 10 раз. Отмытый образец сушат при температуре 120°С в течение 12 ч.

Содержание платины в полученном образце составляет 0,2 мас. %.

Образец помечают как 0,2Pt/TiO2.

Пример 2.

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что объем приливаемого раствора предшественника составляет 329 мкл. В результате, содержание платины в полученном образце составляет 0,5 мас. %.

Образец помечают как 0,5Pt/TiO2.

Пример 3.

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что объем приливаемого раствора предшественника составляет 657 мкл.

Содержание платины в полученном образце составляет 1 мас. %.

Образец помечают как 1Pt/TiO2.

Пример 4.

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что объем приливаемого раствора предшественника составляет 1314 мкл.

Содержание платины в полученном образце составляет 2 мас. %.

Образец помечают как 2Pt/TiO2.

Пример 5.

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что объем приливаемого раствора предшественника составляет 2628 мкл.

Содержание платины в полученном образце составляет 4 мас. %.

Образец помечают как 4Pt/TiO2.

Пример 6.

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что используют диоксид титана TiO2 Р25, являющийся смесью анатаза с рутилом.

Содержание платины в полученном образце составляет 0,2 мас. %.

Образец помечаю как 0,2Pt/TiO2-P.

Примеры 7-9 приведены для сравнения.

Пример 7 (сравнительный).

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что в процессе синтеза на добавляют раствор предшественника. В результате, образец не содержит платину.

Образец помечают как 0Pt/TiO2.

Пример 8 (сравнительный).

Используют исходный диоксид титана TiO2 Hombifine N.

Образец помечают как TiO2.

Пример 9 (сравнительный).

Используют исходный диоксид титана TiO2 Р25.

Образец помечают как TiO2-Р.

Испытания активности синтезированных образцов фотокатализаторов проводят в реакции фотокаталитического окисления монооксида углерода, которая протекает согласно следующему брутто-уравнению:

Испытания проводят следующим образом: в статический реактор помещают исследуемый образец и включают источник УФ-излучения, в качестве которого используют мощный УФ светодиод (Nichia, Япония), для окисления всех веществ, ранее сорбированных на поверхности фотокатализатора. Такую тренировку образца проводят в течение 2 ч. Далее напускают 800-850 млн. д. атм монооксида углерода и следят с помощью ИК-спектрометра за изменением концентрации СО и СО2, образующегося в ходе протекания реакции под действием УФ-излучения. По наклону начального участка кинетической кривой образования СО2 определяют скорость окисления СО. Также по кинетической кривой СО определяют время полной конверсии, за которое происходит полное удаление СО из газовой фазы. Типичный вид кинетических кривых расходования СО и накопления CO2 представлен на Фиг. 2.

Результаты испытаний образцов, полученных согласно примерам 1-9, представлены в таблице.

Из представленных в таблице данных (столбец 3) видно, что образцы с нанесенной платиной, полученные по примерам 1-6, обладают намного большей активностью в реакции фотокаталитического окисления монооксида углерода по сравнению со сравнительными образцами чистого диоксида титана, полученного по примерам 7-9, которые очень медленно окисляют СО.

Таким образом, предложенный способ получения фотокатализатора путем нанесения частиц платины позволяет проводить под ультрафиолетовым излучением фотокаталитическое окисление монооксида углерода с высокой скоростью при комнатных условиях. Высокая активность полученных образов обусловлена высокой дисперсностью нанесенных частиц платины, а также высокой энергией хемосорбции данного металла по отношению к монооксиду углерода.

1. Способ получения фотокатализатора для окисления монооксида углерода, отличающийся тем, что фотокатализатор готовят добавлением этанола и соединения-предшественника платины в водную суспензию диоксида титана и ее освещением ультрафиолетовым излучением при постоянном перемешивании, с последующим отделением осадка центрифугированием, его промывкой и сушкой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединения-предшественника платины используют платинохлористоводородную кислоту.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют нанокристаллический диоксид титана анатазной модификации с удельной поверхностью более 50 м2/г.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют нанокристаллический диоксид титана с удельной поверхностью более 50 м2/г, являющийся смесью анатаза и рутила с содержанием фазы рутила не более 30 мас. %.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что освещение ультрафиолетовым излучением проводят в течение, как минимум, 3 ч.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем аликвоты добавляемого соединения-предшественника платина подбирают таким образом, чтобы содержание платины в фотокатализаторе составляло 0,2-4,0 мас. %.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения нанокапсул розувастатина, характеризующемуся тем, что розувастатин медленно добавляют в суспензию каррагинана в гексане, в присутствии 0,005 г препарата Е472с при перемешивании 1000 об/мин, при массовом соотношении оболочка:ядро 3:1 или 1:5, затем приливают 5 мл 1,2-дихлорэтана, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение может быть использовано для получения наноразмерных порошков элементов и их неорганических соединений методом «испарения - конденсации» в потоке газа.

Изобретение относится к катализаторам и к способу синтеза Фишера-Тропша. Катализатор на основе комплексных солей кобальта для синтеза Фишера-Тропша содержит частицы кобальта, при этом в качестве комплексной соли кобальта выбирают фталоцианиновый комплекс кобальта (C32H16N8Co), а в качестве диспергатора частиц кобальта выбирают ионные жидкости 1-бутил-3-метилимидазол тетрафторборат или 1-бутил-3-метилимидазолий бис(трифторборатсульфонил)имид.

Изобретение относится к медицине, в частности к средству, обладающему противоопухолевой активностью, а также к способу получения средства и его применению. Способ получения средства включает взаимодействие арабиногалактанового сырья и диоксида селена или солей селенистой кислоты в растворителе с последующим осаждением в этиловый спирт, или ацетон, или другой смешивающийся с водой органический растворитель.
Изобретение относится к области теплопроводящих диэлектрических материалов и может найти применение при изготовлении теплоотводящих прокладок, лент, герметиков, заливочных компаундов для чипов компьютерной памяти, изделий силовой электронике, портативных устройств, блоков электропитания и силовых преобразователей, в которых необходимо обеспечить теплоотвод от теплонагруженных элементов и узлов.

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и создания наноструктурных материалов.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. В жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, слои тугоплавких окислов дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов.

Изобретение относится к способам получения стабильных электрохромных покрытий на основе берлинской лазури и проводящего полимерного компонента и может быть использовано при получении электрохромных слоев на поверхности оптически прозрачных электродов для применения в архитектурно-строительной и автомобильной промышленностях.

Изобретение относится к химии, оптоэлектронике и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении прозрачных электродов и приборов наноэлектроники. В кварцевый реактор помещают подложку - Х-срез пьезоэлектрического кристалла, например, La3Ga5,5Ta0,5O14, плоскости (110) которого параллельны поверхности кристалла.

Изобретение относится к области получения нанопористых материалов на основе кремний-алюминиевых аэрогелей и может быть использовано для создания чувствительных элементов измерительных устройств газовых сенсоров, используемых в энергетике, химической промышленности, а также анализа выдыхаемого воздуха - в медицине.

Изобретение относится к способу создания медных покрытий с развитой поверхностью, в котором из раствора электролита методом электроосаждения на металлический носитель наносят медное покрытие.

Изобретение относится к нанотехнологии, может быть использовано в химической промышленности для создания эффективных катализаторов. Заключается в том, что на подложку наносят вспомогательный слой, в котором формируют ряды канавок нанометровой глубины с вертикальными стенками, наносят слой каталитического материала нанометровой толщины, поверх которого формируют маску из фоторезиста с рисунком узких полосок, расположенных поперек канавок, анизотропным травлением удаляют слой каталитического материала до вспомогательного слоя, оставляя его на боковых стенках канавок и под маской, маску удаляют.
Изобретение относится к области электрохимии, а именно к способам модификации электрохимических катализаторов на углеродном носителе, применяемых для электролизеров или топливных элементов с твердым полимерным электролитом (ТПЭ).

Изобретение относится к полученной в плазме каталитической наночастице. Данная наночастица имеет границу раздела фаз для закрепления каталитического наноактивного материала на наноподложке, причем указанная граница раздела фаз содержит соединение, предназначенное для ограничения перемещения каталитического наноактивного материала на поверхности наноподложки.

Изобретение относится к электрохимическому способу получения сложных гибридных каталитических систем на основе модифицированного углерода, содержащих на поверхности оксидные вольфрамовые бронзы, в котором каталитические системы получают из расплава 30 мол.% K2WO4, 25 мол.% Li2WO4 и 45 мол.% WO3 в импульсном потенциостатическом режиме при перенапряжении не выше 300 мВ с использованием платинового анода, притом что электроосаждение ведут на угольную подложку.

Изобретение относится к способу получения катализатора на основе платины для использования в электродах электрохимических устройств. Данный способ включает предварительную очистку носителя ионным травлением, нанесение промежуточного слоя и последующее магнетронное напыление из по меньшей мере одной мишени на основе платины в вакууме в плазме основного газа с добавкой реакционного газа.

Изобретение относится к способу приготовления титаноксидного катализатора, применяемого преимущественно для фотокаталитической очистки воды, загрязненной молекулярными примесями органического происхождения.
Изобретение относится к нефтепереработке и каталитической химии, в частности к способу синтеза катализатора для дегидрирования легких парафиновых углеводородов, предпочтительно изобутана и изопентана, для процессов получения изобутилена и изоамиленов - мономеров синтетических каучуков.

Изобретение относится к способам получения фотокатализатора на основе полупроводникового оксида олова(II) для разложения азотсодержащих органических загрязнителей воды, которое может найти применение в химической промышленности при очистке сточных вод.

Изобретение относится к катализатору разложения озона для снаряжения авиационных конвертеров, изготовленного из гофрированной алюминиевой фольги с алюмосиликатным покрытием, которое импрегнировано оксидами переходных металлов с добавками благородных металлов или их оксидов, при этом указанное алюмосиликатное покрытие формируется путем микроплазменной обработки подложки, изготовленной из вентильного металла.
Изобретение относится к катализатору для холодного пуска и его применению в выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания. Катализатор для холодного пуска содержит цеолитовый катализатор и катализатор с нанесенным металлом платиновой группы.
Наверх