一种三元层状化合物及其制备方法和应用

本技术属于催化及环境保护领域，具体涉及一种三元层状化合物及其制备方法和应用。

背景技术：

1、臭氧(o3)，由3个氧原子构成，o-o键的距离为0.128nm，是氧气的同素异形体，具有极强的氧化性，主要来源于大气中的平流层，可阻挡紫外线、保护地球生物及生存环境。但是，在飞机在平流层巡航时，平流层臭氧将随着发动机引气进入油箱惰化系统和飞机环控系统，严重危害机舱设备和乘员健康。由于受飞行重量和空间限制，机载臭氧转换器要求在极高的空速下运行，对臭氧催化分解催化剂提出了较高的要求。开发一种低成本、耐湿性强、体积小、质量轻且具有优良催化分解臭氧性能的催化剂成为目前亟需解决的关键技术难题。

2、常规去除臭氧的方法主要有热分解法、活性炭吸附法、溶液吸收法、催化分解法。热分解法受温度限制，具有一定的局限性；活性炭虽然价格低廉，但易失活，需多次再生更换，无法满足机载要求；溶液吸收法存在着废液难处理难回收等问题，而催化分解法可在较低温度下分解臭氧，运行周期长，因此臭氧催化分解是解决机舱和近地面臭氧污染最有效的方法。

3、臭氧分解催化剂主要有贵金属(pd、pt、ag等)催化剂和过渡金属氧化物(mno2、cuo、fe2o3、ceo2等)催化剂。贵金属负载量1.5％的pd/al2o3催化剂具有优异的臭氧分解性能，在30℃、rh<5％、whsv＝600,000ml·gcat-1·h-1条件下，反应7h后臭氧转化率在95％以上。但是贵金属价格高，储量少，受局限性较强，不能得到广泛应用。cn108114711a公开了一种脱除臭氧的过渡金属氧化物催化剂，将过渡金属氧化物成型制得不同结构的催化剂将其负责到具有较大比表面积的惰性载体上，需要高温热解等，制备成本较高。

4、因此，开发一种低成本、高处理能力、质量轻且低温下具有优良催化分解臭氧性能的催化剂具有重要意义。

技术实现思路

1、本技术主要目的是开发用于催化脱除臭氧的层状镍钴铁金属氢氧化物催化剂与其制备方法及用途，所述制备方法灵活简单，适用于大规模生产。

2、催化脱除臭氧的层状金属氢氧化物ldh催化剂，该催化剂以二价镍、二价钴的水溶性盐，三价铁、三价钴水溶性盐以及适量氧化剂以任意比例形成溶液，沉淀剂一般为强碱与层间阴离子盐的混合溶液。

3、根据本技术的一个方面，提供一种三元层状化合物，所述三元层状化合物具有二维层状水滑石结构；

4、所述三元层状化合物含有镍元素、铁元素和钴元素；

5、所述三元层状化合物的化学式为[m2+1-xm3+x(oh)2]x+(an-)x/n·mh2o；

6、其中，m2+为ni2+、co2+中的至少一种；

7、m3+为fe3+、co3+中的至少一种；

8、an-为co32-、no3-、cl-、so42-、po43-中的一种；

9、x为0.2～0.5；

10、可选地，x为0.2、0.3、0.4、0.5中的任意值或任意两者之间的范围值。

11、根据本技术的另一个方面，提供一种上述的三元层状化合物的制备方法，包括以下步骤：

12、将含有镍前驱体、钴前驱体、铁前驱体和氧化剂的水溶液a与含有碱和盐的水溶液b混合，反应，干燥，得到所述三元层状化合物。

13、所述镍前驱体选自镍元素的碳酸盐、硝酸盐、盐酸盐、硫酸盐、磷酸盐中的至少一种；

14、所述钴前驱体选自钴元素的碳酸盐、硝酸盐、盐酸盐、硫酸盐、磷酸盐中的至少一种；；

15、所述铁前驱体选自铁元素的碳酸盐、硝酸盐、盐酸盐、硫酸盐、磷酸盐中的至少一种；

16、所述氧化剂选自双氧水；

17、所述水溶液a中，镍元素、钴元素和铁元素的总摩尔浓度为0.75～1.25mol/l；

18、可选地，所述水溶液a中，镍元素、钴元素和铁元素的总摩尔浓度为0.75mol/l、1mol/l、1.25mol/l中的任意值或任意两者之间的范围值。

19、所述水溶液a中，钴元素和铁元素的总摩尔量与镍元素的摩尔量之比为1:2～4。

20、可选地，所述水溶液a中，钴元素和铁元素的总摩尔量与镍元素的摩尔量之比为1:2、1:3、1:4中的任意值或任意两者之间的范围值。

21、所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的至少一种；

22、所述水溶液b中，所述碱的浓度为1.5～1.6mol/l；

23、可选地，所述水溶液b中，所述碱的浓度为1.5mol/l、1.55mol/l、1.6mol/l中的任意值或任意两者之间的范围值。

24、所述盐选自氯化钠、碳酸钠、醋酸钠中的至少一种；

25、所述水溶液b中，所述盐的浓度为0.2～0.3mol/l。

26、可选地，所述水溶液b中，所述盐的浓度为0.2mol/l、0.25mol/l、0.3mol/l中的任意值或任意两者之间的范围值。

27、所述水溶液a与所述水溶液b的体积比为1:1。

28、所述反应的温度为60～90℃；

29、可选地，所述反应的温度为60℃、70℃、80℃、90℃中的任意值或任意两者之间的范围值。

30、所述反应的时间为6～48h；

31、可选地，所述反应的时间为6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h中的任意值或任意两者之间的范围值。

32、反应的过程包括磁力搅拌，转速为200～600r/min；

33、所述干燥的温度为60～80℃；

34、可选地，所述干燥的温度为60℃、70℃、80℃中的任意值或任意两者之间的范围值。

35、所述干燥的时间为6～18h。

36、可选地，所述干燥的时间为6h、12h、18h中的任意值或任意两者之间的范围值。

37、所述化合物可通过共沉淀法或水热法得到。

38、所述水溶液a中三种金属可以任意比例混合，可选ni:co:fe＝1:1:1。

39、根据本技术的另一个方面，提供一种三元ldh结构催化剂，包括上述的化合物或上述的制备方法制备的化合物。

40、具体地，制备方法包括以下步骤：

41、配制含m2+和m3+的水溶液，向其中加入适量氧化剂，混合后溶液为a；

42、配制含碱金属氢氧化物和碱金属碳酸盐的水溶液b做沉淀剂；

43、将a、b溶液以相同的速率均匀混合，放入水浴锅中，在60～90℃下搅拌6～48h，用去离子水洗涤至中性、60～80℃干燥6～18h,得到三元ldh结构催化剂；

44、经过研磨筛分选取适当大小的颗粒作为评价测试的催化剂。

45、根据本技术的另一个方面，提供一种臭氧分解的方法，采用上述的三元ldh结构催化剂。

46、根据本技术的另一个方面，提供一种上述的臭氧分解的方法的应用，用于机舱内高湿度、高空速去除密闭空间臭氧。

47、本技术具有以下优点：

48、本技术所提供的催化剂，应用于臭氧催化脱除反应，反应空速为600,000ml·gcat-1·h-1，原料气臭氧体积浓度为10-18ppm，相对湿度rh<5％条件下，催化剂能够在常温下实现臭氧脱除，具有较高的稳定性。

49、本技术成本较低，材料廉价易得，合成条件温和，易于放大生产。

50、本技术的催化剂可在较高的空速和高湿度下分解臭氧。

51、本技术公开的制备方法不受前驱体盐金属离子价态限制，也可以用于合成高于三元的层状金属氢氧化物ldh催化剂。

52、本技术制得的催化剂经高温焙烧后，亦可以用做载体或氧化还原催化剂。