木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的方法与流程

1.本发明属木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料制造方法类，特别涉及一种利用木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的制造方法。


背景技术：

2.随着机动车人均保有量持续增多，排气污染愈发严重，且汽车尾气的排放是诱发呼吸系统疾病、心血管疾病和肺癌的重要因素，严重威胁人们的身体健康和生活质量，防治排气污染刻不容缓。汽车尾气主要有害气体为氮氧化物(nox)、一氧化碳(co)及碳氢化合物(hc)，而汽车中的三效催化器(twc)可以有效的催化降解上述有害气体，将其转化为无害气体，这是汽车处理尾气的重要装置。
3.目前，twc由贵金属催化剂、助剂、涂层和载体组成，其中贵金属催化剂主要以价格昂贵的重金属钯、钹、铑为活性分子，铈锆固溶体为载体的一种贵金属催化体系。但是，该种催化材料存在表面易附着hc，导致其无法与co、no
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接触，堵塞载体的孔隙，造成twc表面积碳及排气恶化，严重影响其使用寿命，存在该种催化材料成本高易失效等问题。因此，研发低成本、强耐久性且高催化效率的汽车尾气三效催化材料迫在眉睫。
4.木材由于其具有多尺度分级孔道结构，是一种天然遗态材料，因此其用于环境污染催化领域的研究已成为热点。其基体木材具有从微纳尺度微纤丝到宏观尺度树干的多尺度孔道结构，开放的微孔道提供流体调节和多相传输的反应场所，不仅能够容纳功能分子并使其稳定分散，而且增加客体分子接触几率同时提高扩散速率，是活性物质的理想载体。诸多学者利用木材及其衍生物的天然富集结构，设计并构建具有丰富的活性位点和优异的机械灵活性的污染物处理装置。
5.由于twc多以氧化铝、沸石、埃洛石等为担体涂层，普遍存在催化剂分散不均匀、界面稳定性较差等问题，催化活性和耐用性非常有限，木质复合材料继承了天然木材高孔隙率、高比表面积、低流阻的孔道导流结构，具有极强的气体和小孔径颗粒物捕获能力；以木材为基体通过分子预组装和界面识别诱导晶体生长，能够调控催化剂晶体粒径大小、空间排列和结晶取向，形成高度有序、性能优异的复合材料；制备过程中能够将碳原子与晶体形成杂化异质结构，从而显著提高催化活性。依据以往研究，多尺度孔道结构的木材基体可以取代传统蜂窝状载体用于尾气处理，通过木材基体与催化剂深度耦合，有望解决twc成本高、催化剂易失活的关键技术难题。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决提供利用木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的制造方法。
7.为解决上述技术问题，提出催化性能更为优异的基于木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的制造方法，其特征在于：以来源于丰富的林木资源的木材为模板，以无机化合物硝酸铈、硝酸锆为前驱体，加入作为络合剂的柠檬酸通过超声振荡与微纳浸
渍的处理方式赋予制备出的铈锆固溶体多级孔道结构，采用高温焙烧工艺手段碳化木材并与铈锆固溶体复合，制造一种木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料。
8.利用木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的制造方法，包括下述步骤：
9.(1)木材预处理：将长宽为4cm、高为3mm的木片置于浓度为1％的氢氧化钠溶液中，在70～90℃的水浴温度下通过对木材碱处理将其孔道内含物及灰分析出，扩大木材孔道的孔容。
10.(2)铈锆固溶体前驱体溶液的配制：取一定质量六水硝酸铈和五水硝酸锆与一定质量柠檬酸溶于去离子水中配置成一定质量浓度的铈锆固溶体前驱体溶液，将该溶液加热搅拌，使前驱体与络合剂充分融于溶液中。
11.(3)木材浸渍处理：将步骤(1)所得木片置于步骤(2)所得的前驱体溶液中，通过超声振荡处理及真空微纳浸渍处理方式将铈锆固溶体溶液充分浸渍至预处理后的木片中，然后将处理后的木片常温干燥12小时。
12.(4)高温焙烧：将步骤(3)所得干燥后的木片置于管式炉中，设定温度在300～500℃条件下通入氩气焙烧4～6h，碳化木材形成木质基碳/铈锆固溶体三效催化复合材料。
13.作为优化，所述木片预处理所需的氢氧化钠溶液质量浓度为0.5％～3％。
14.作为优化，所述配置前驱体溶液六水硝酸铈质量浓度为3～18％，五水硝酸锆质量浓度为3～18％，柠檬酸质量浓度为8～20％。
15.作为优化，所述放入木片后的前驱体溶液超声振荡处理0.5h～2h，浸渍处理3～7h。
16.作为优化，所述木材选用不限于杨木木材。
17.采用本发明的制造方法制造木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料，一方面，可以实现木材剩余物高附加值利用，为木材剩余物的处理提供了一种新的思路；另一方面，利用该方法制备的木质基碳/铈锆固溶体三效催化复合材料可实现汽车尾气的高效率催化，高度契合“打好污染防治攻坚战”的国家重大战略需求，为实现“美丽中国”助力，具有重大的科学意义及实用价值。
具体实施方式
18.具体实施方式一：
19.本实施方式中利用木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的制造方法如下：
20.(1)木材预处理：将长宽为4cm、高为3mm的木片置于浓度为1％的氢氧化钠溶液中，在70℃的水浴温度下通过对木材碱处理将其孔道内含物及灰分析出，扩大木材孔道的孔容。
21.(2)铈锆固溶体前驱体溶液的配制：取一定质量六水硝酸铈和五水硝酸锆与一定质量柠檬酸溶于去离子水中配置成一定质量浓度的铈锆固溶体前驱体溶液，将该溶液加热搅拌，使前驱体与络合剂充分融于溶液中。
22.(3)木材浸渍处理：将步骤(1)所得木片置于步骤(2)所得的前驱体溶液中，通过超声振荡处理及真空微纳浸渍处理方式将铈锆固溶体溶液充分浸渍至预处理后的木片中，然
后将处理后的木片常温干燥12小时。
23.(4)高温焙烧：将步骤(3)所得干燥后的木片置于管式炉中，设定温度在450℃条件下通入氩气焙烧4h，碳化木材形成木质基碳/铈锆固溶体三效催化符合材料。
24.具体实施方式二：
25.本实施方式中利用木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料的制造方法如下：
26.(1)木材预处理：将长宽为4cm、高为4mm的木片置于浓度为2％的氢氧化钠溶液中，在90℃的水浴温度下通过对木材碱处理将其孔道内含物及灰分析出，扩大木材孔道的孔容。
27.(2)铈锆固溶体前驱体溶液的配制：取一定质量六水硝酸铈和五水硝酸锆与一定质量柠檬酸溶于去离子水中配置成一定质量浓度的铈锆固溶体前驱体溶液，将该溶液加热搅拌，使前驱体与络合剂充分融于溶液中。
28.(3)木材浸渍处理：将步骤(1)所得木片置于步骤(2)所得的前驱体溶液中，通过超声振荡处理及真空微纳浸渍处理方式将铈锆固溶体溶液充分浸渍至预处理后的木片中，然后将处理后的木片常温干燥12小时。
29.(4)高温焙烧：将步骤(3)所得干燥后的木片置于管式炉中，设定温度在500℃条件下通入氩气焙烧4h，碳化木材形成木质基碳/铈锆固溶体三效催化符合材料。上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明权利要求书所述的利用木材仿生制备木质基碳/铈锆固溶体三效催化材料都落入本发明的专利保护范围。