一种用于油烟净化的镍铁基电热催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及催化剂，尤其涉及一种用于油烟净化的镍铁基电热催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、厨房油烟中含有300余种有害物质，其中以丙酮为代表的挥发性有机化合物(volatile organic compounds，vocs)会引发呼吸道疾病、降低人体免疫力甚至诱发癌变。传统厨房油烟处理方法为抽吸排空物理方法，存在油烟外排污染空气、冷凝沉淀废油易造成环境二次污染等问题。为突破传统物理法的局限性，油烟催化技术蓬勃发展。目前油烟催化技术主要有高温催化氧化法和低温等离子体-催化氧化法。

2、公开号为cn117258817a的中国发明专利公开了一种油烟催化剂及其制备方法和烤箱。该油烟催化剂包括活性组分和载体，所述活性组分的质量百分比为1.5％～5.0％，其中，所述活性组分包括以下质量百分比的各组分：氧化镍1.0％～2.5％；二氧化钛1.9％～2.9％；氧化镁30.0％～40.0％；氯化钾32.0％～42.0％；氧化锌2.9％～5.0％；硫化钼4.0％～6.0％；和，碳酸钙为余量。该申请提供的油烟催化剂对油烟的去除效率较高，应用于烤箱中对厨房环境的改善效果较好。但高温催化氧化法的反应能耗大，难以去除大分子颗粒物，且催化剂容易因局部受热不均造成烧结、结焦等失活问题。

3、公开号为cn103785276a的中国发明专利则提供了一种利用低温等离子体与催化剂的协同作用净化餐饮油烟的方法与装置。该方法让油烟依次通过低温等离子体反应区和催化反应区，油烟所含挥发性有机化合物在低温等离子体反应区被部分氧化，并在催化反应区进一步被氧化。在低温等离子体反应区的前段，交替布置的正负极性高压放电使油烟所含颗粒物分离去除或荷电；在低温等离子体反应区的过渡段，带正电荷和负电荷的颗粒相互靠近并凝并长大；在低温等离子体反应区的后段颗粒继续凝并长大被捕集分离。该发明增加了高效净化挥发性有机化合物功能；去除油烟所含颗粒物的效率更高；可实现常温运行，抗玷污能力强，特别适用于各类食堂、酒店和宾馆等公共场所的餐饮油烟处理。但低温等离子体-催化氧化法容易产生臭氧、氮氧化合物等化合物，造成二次污染。

4、综上所述，提供一种新的净化技术，解决催化剂局部受热不均导致的烧结、结焦等失活问题，并避免二次污染物的生成，对油烟净化领域而言具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种工艺简捷、原料来源广泛的用于油烟净化的镍铁基电热催化剂的制备方法，包括如下步骤：

2、(1)溶液环境下，铁(ⅲ)的氯盐、镍(ⅱ)的氯盐与三聚氰酸在恒电势下进行电沉积，形成铁镍有机框架材料；

3、(2)铁镍有机框架材料于空气氛围中进行煅烧，得到用于油烟净化的镍铁基电热催化剂。

4、本领域中，溶液环境由溶剂营造，溶剂在反应中发挥促进底物分散及营造稳定、适宜的反应环境等作用，其相对于底物而言呈化学惰性，不与底物进行反应。因此，本发明中溶剂的参数选择是多样的，本领域技术人员可根据底物的类型及实际选择合适的类型及用量。如本发明一个或多个实施例展现的，水是一种来源广泛的用于溶解氯盐的溶剂；相应的，可采用与水互溶的有机溶剂溶解三聚氰酸，其中n,n-二甲基甲酰胺(dmf)是十分适合本发明的溶剂选择。

5、优选的，所述溶液环境由溶剂营造，通过水溶解铁(ⅲ)的氯盐及镍(ⅱ)的氯盐，通过与水互溶的有机溶剂溶解三聚氰酸。

6、进一步优选的，所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺。

7、本发明采用来源广泛、经济的氯盐作为原料，氯盐包括氯化物及其水合物。铁(ⅲ)、镍(ⅱ)的氯盐在溶液环境下溶解形成fe3+、ni2+，利于电沉积的进行。

8、优选的，所述步骤(1)中，所述铁(ⅲ)的氯盐的添加量为10～20mmol；所述镍(ⅱ)的氯盐的添加量为10～20mmol；所述三聚氰酸的添加量为10～20mmol。

9、优选的，所述步骤(1)中，所述电沉积的电势为-1.8～-1.4v，沉积时间为30～60min。

10、优选的，所述步骤(1)中，所述电沉积的负极采用泡沫镍，正极选自饱和甘汞电极、铂电极、石墨电极中的一种。

11、泡沫镍具有高的比表面积，储存中容易附着污物或形成复杂氧化物，造成污染。为了降低杂质对电沉积的不利影响，同时暴露出大量纯净镍表面，泡沫镍在使用前可进行预处理来去除杂质。

12、进一步优选的，所述泡沫镍在使用前去除其表面杂质。

13、优选的，所述步骤(2)中，所述煅烧的温度为350～450℃，处理时间为2～3h。

14、优选的，所述步骤(2)中，所述煅烧的升温速率为3～5℃/min。

15、在本发明的第二方面，提供了一种催化高效、充分的用于油烟净化的镍铁基电热催化剂，由本发明第一方面的方法制备而成。

16、在本发明的第三方面，提供了一种本发明第二方面的用于油烟净化的镍铁基电热催化剂的应用，具体是作为催化材料在催化油烟分解中的应用。

17、优选的，所述应用的方法包括如下步骤：用于油烟净化的镍铁基电热催化剂在电流的焦耳热效应作用下升温至催化温度，油烟流经催化剂并在其催化下分解。

18、基于以上技术方案，本发明的发明构思在于，采用电沉积法使fe3+、ni2+与三聚氰酸(ca)结合并沉积在阴极泡沫镍(nf)表面，原位制备具有网状多孔结构的铁镍有机框架材料(fe1ni1-ca/nf)，其中三聚氰酸能促进三维网状结构的形成；并以fe1ni1-ca/nf为前驱体，采用空气煅烧法将其部分氧化，得到含有nife2o4和fe1ni1-ca的三维网状多孔镍铁基材料(fe1ni1o/nf)，即用于油烟净化的镍铁基电热催化剂。这种三维网状多孔结构使催化反应的有效面积明显增加，有利于材料催化活性的提升，而且氧化生成的nife2o4颗粒均匀分布在催化剂表层，增大了比表面积，暴露出更多活性位点，有效提高了催化活性。

19、在原理上，本发明的电-热协同催化净化技术，采用吸附氧和晶格氧“双氧”调控机制，在通电、受热的条件下使金属基体中的ni原子外层电子获得足够的能量，更容易克服表面势垒而发射出去，产生“电子发射”效应；电子传递给基材表面的载氧体fe1ni1o和nife2o4，在电子还原作用下，载氧体表面和体相中的晶格氧被强制释放出来，原来晶格氧的位置产生氧空位，进而被氧气氧化产生新的晶格氧，实现了晶格氧的释放与再生；释放出来的晶格氧传递转化为表面吸附氧，提高了表面活性氧含量，有利于促进油烟分解。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

21、本发明提供了一种用于油烟净化的镍铁基电热催化剂的制备方法，原料易得，制备方法简单，相比贵金属催化剂具有良好的成本优势，有利于放大生产。

22、本发明提供了一种用于油烟净化的镍铁基电热催化剂，具有活性位点丰富、催化活性高的优势。

23、本发明提供了一种用于油烟净化的镍铁基电热催化剂的应用，作为厨房油烟的催化材料，利用焦耳热效应，升温速率快且温度分布均匀，避免了局部受热不均导致的烧结、结焦等失活问题。