一种不同形貌四氧化三铅催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种不同形貌四氧化三铅催化剂及其制备方法和应用，催化剂的制备过程为：配制铅盐水溶液，向其中加入无机碱，超声搅拌均匀后，加入次氯酸钠溶液，产生棕红色浑浊物，搅拌使浑浊物分散均匀，形成悬浊液。所得悬浊液于90℃‑150℃温度下水热反应20‑50小时，反应结束后冷却至室温，过滤、清洗、抽滤，将所得产物置于真空干燥箱中，于60℃‑80℃下干燥20‑24小时，最后在管式炉中焙烧活化，得到所述不同形貌四氧化三铅催化剂。本发明专利技术制备的四氧化三铅催化剂成本较低、工艺简单，应用于低压电解水制备臭氧反应中，具有较高的催化活性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种不同形貌四氧化三铅催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于电催化
，一种不同形貌四氧化三铅催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
臭氧是氧的一种同素异形体，具有很强的氧化能力，可作为强氧化剂、消毒剂。由于臭氧不会留下二次污染，剩余的臭氧可在短时间内分解为氧气，因此广泛应用于杀菌消毒、污水处理、空气除尘、漂白脱色、食品工业、微电子工业等领域，应用前景十分广阔。目前合成臭氧的方法有很多，低压电解法、电晕放电法、紫外线照射法和放射化学法是人工生产臭氧的主要途径。放射化学法产生臭氧，原料便宜易得、利用率高，产生臭氧的浓度也较高，但是该方法安全性低、放射源成本高，无法满足工业上大量生产的要求。目前，放射化学法已经基本被淘汰。紫外线辐射法是空气或氧气在紫外光辐射下产生臭氧，该方法臭氧产量少、结构复杂、波长不易控制，不适用于规模化制备臭氧。电晕放电法以经过干燥处理后的氧气或空气作原料，由两个相距一定间隔的电极和介电体组成放电单元，在两电极间施加5000-20000V电压，间隙放电产生臭氧。该方法所需电压高、产生臭氧浓度低、规模生产设备庞大、移动不便、操作复杂，更重要的是在产生臭氧过程中将产生大量氮氧化物，对环境和人体产生危害。为此，科研工作者提出用低压电解法产生臭氧的方法。在低压电解法中，臭氧由水电解而生成。使用低压电解法产生臭氧对设备要求低、设备简易、方便移动有利于不同场所的现场制备，投资成本低，浓度较高、环保无污染。在电解法制备臭氧过程中，阳极产生臭氧和氧气，阴极产生氢气，通过选择高过电位的阳极材料可以较好地抑制在阳极上氧气析出，提高发生臭氧的电流效率。因此目前国内外电化学法制臭氧的研究主要集中在阳极材料的选择上，Pt、Au、PbO2等均已被用于低压电化学法制臭氧的阳极材料。在商业化产品中，阳极材料一般多选用析氧电位较高、价格较为便宜的二氧化铅。而低价铅氧化物如四氧化三铅是否同样具备优异的电解水制备臭氧性能还未见报道，因此制备不同形貌四氧化三铅并应用于低压电解臭氧发生器值得研究。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种不同形貌四氧化三铅催化剂及其制备方法和应用。本专利技术不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法简单，通过控制次氯酸钠用量、水热温度和时间及焙烧处理条件可以制备得到不同形貌的四氧化三铅，本专利技术得到的不同形貌四氧化三铅作为催化剂用于电解水制备臭氧的反应中，具有较高的催化活性和稳定性。所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将铅盐溶于去离子水中，加入无机碱调节pH值至12-14，超声分散均匀，得到前驱体溶液；2）向步骤1）所得前驱体溶液中加入次氯酸钠溶液，混合液中产生棕红色浑浊物，搅拌1-3分钟使棕红色浑浊物分散均匀，得到悬浊液；3）将步骤2）所得悬浊液转移至聚四氟乙烯内衬中，于90℃-150℃温度下水热反应20-50小时，反应结束后冷却至室温，过滤，得到粗产物沉淀；所得粗产物沉淀用无水乙醇和去离子水各清洗3-5遍后，抽滤，滤渣置于真空干燥箱中，于60-80℃下干燥20-24小时；4）将步骤3）干燥后的固体研磨处理后放置于瓷舟中，再将瓷舟放置于管式炉中焙烧处理，在高纯气体的环境中升温至焙烧温度250℃-450℃，保持3-10h后冷却至室温，其中升温速率控制在1℃/min-5℃/min，即制得四氧化三铅催化剂。所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，铅盐为乙酸铅、硝酸铅、氯化铅或溴化铅；所述无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或氨水。所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中，次氯酸钠溶液的有效氯浓度为2%-10%；所述次氯酸钠溶液中的有效氯与铅盐的摩尔比为1：1-6:1，优选为2:1。所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤3）中的水热反应温度为100℃-140℃，反应时间为24-48小时。所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤4）中的焙烧温度为280℃-450℃，焙烧温度下保持时间为4-8小时。所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤4）中，高纯气体为纯度>99%的氢气或氮气。按照上述方法制得的不同形貌四氧化三铅催化剂。所述的不同形貌四氧化三铅催化剂在电催化分解水制备臭氧反应中的应用。所述的不同形貌四氧化三铅催化剂在电催化分解水制备臭氧反应中的应用，其特征在于采用固体聚合物电解质臭氧发生器作为反应器；所述四氧化三铅催化剂作为阳极材料，5%-10%铂含量的铂碳催化剂作为阴极材料，阳极材料和阴极材料分别涂覆于质子交换膜的阳极面和阴极面，反应器的阴极室和阳极室由所述质子交换膜隔开，以去离子水作为电解液，电流为5A-20A、槽电压为3V-5V，20℃-50℃温度下进行电解反应，制得臭氧产品。所述的不同形貌四氧化三铅催化剂在电催化分解水制备臭氧反应中的应用，所述质子交换膜为NafionN117、NafionN115、NafionD520、NafionNRE211、NafionNRE212或NafionHP，优选为NafionHP或NafionD520。通过采用上述技术，与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1）本专利技术通过简单方法合成了不同形貌四氧化三铅催化剂，在催化剂的制备过程中，随着水热反应温度的上升，最终制得的四氧化三铅催化剂的形貌有所不同。参见本专利技术的实施例内容，100℃反应生成的四氧化三铅形貌为正方体状；110℃反应生成的四氧化三铅形貌为正方体状构；当温度上升至120℃时，反应生成的四氧化三铅整体形貌呈长方体状，长宽比约2:1；130℃下生成的四氧化三铅呈均匀正方体状；随着反应温度上升至140℃，催化剂呈现长方体状，长宽比约5:2；本专利技术四氧化三铅催化剂的制备过程中，均通过调控水热反应的温度、时间及焙烧条件来达到调控催化剂颗粒形貌的效果；2）通过对比不同条件下本专利技术制备所得的四氧化三铅与商业四氧化三铅及商业二氧化铅催化剂电解水制备臭氧性能，本专利技术四氧化三铅催化剂的催化性能优于商业四氧化三铅，本专利技术的不同形貌四氧化三铅催化剂在催化电解水制备臭氧反应中，催化剂的稳定性优于商业二氧化铅，在长时间通电工作后，催化活性没有明显下降；3）本专利技术电催化过程使用去离子水作为电解液，成本较低，电解过程绿色无污染，容易控制，适合推广应用。附图说明图1a为实施例1所获得的长方体状四氧化三铅在1μm下的透射电子显微镜示意图；图1b为实施例1所获得的四氧化三铅在2μm下的扫描电子显微镜示意图；图2a为实施例2所获得的正方体状四氧化三铅在1μm下的透射电子显微镜示意图；图2b为实施例2所获得的颗粒状四氧化三铅在20μm下的扫描电子显微镜示意图；图3a为实施例3所获得的正方体状四氧化三铅在1μm下的透射子显微镜示意图；图3b为实施例3所获得的四氧化三铅在5μm下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：/n1）将铅盐溶于去离子水中，加入无机碱调节pH值至12-14，超声分散均匀，得到前驱体溶液；/n2）向步骤1）所得前驱体溶液中加入次氯酸钠溶液，混合液中产生棕红色浑浊物，搅拌1-3分钟使棕红色浑浊物分散均匀，得到悬浊液；/n3）将步骤2）所得悬浊液转移至聚四氟乙烯内衬中，于90℃-150℃温度下水热反应20-50小时，反应结束后冷却至室温，过滤，得到粗产物沉淀；所得粗产物沉淀用无水乙醇和去离子水各清洗3-5遍后，抽滤，滤渣置于真空干燥箱中，于60-80℃下干燥20-24小时；/n4）将步骤3）干燥后的固体研磨处理后放置于瓷舟中，再将瓷舟放置于管式炉中焙烧处理，在高纯气体的环境中升温至焙烧温度250℃-450℃，保持3-10h后冷却至室温，其中升温速率控制在1℃/min-5℃/min，即制得四氧化三铅催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将铅盐溶于去离子水中，加入无机碱调节pH值至12-14，超声分散均匀，得到前驱体溶液；
2）向步骤1）所得前驱体溶液中加入次氯酸钠溶液，混合液中产生棕红色浑浊物，搅拌1-3分钟使棕红色浑浊物分散均匀，得到悬浊液；
3）将步骤2）所得悬浊液转移至聚四氟乙烯内衬中，于90℃-150℃温度下水热反应20-50小时，反应结束后冷却至室温，过滤，得到粗产物沉淀；所得粗产物沉淀用无水乙醇和去离子水各清洗3-5遍后，抽滤，滤渣置于真空干燥箱中，于60-80℃下干燥20-24小时；
4）将步骤3）干燥后的固体研磨处理后放置于瓷舟中，再将瓷舟放置于管式炉中焙烧处理，在高纯气体的环境中升温至焙烧温度250℃-450℃，保持3-10h后冷却至室温，其中升温速率控制在1℃/min-5℃/min，即制得四氧化三铅催化剂。


2.如权利要求1所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，铅盐为乙酸铅、硝酸铅、氯化铅或溴化铅；所述无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或氨水。


3.如权利要求1所述的一种不同形貌四氧化三铅催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中，次氯酸钠溶液的有效氯浓度为2%-10%；所述次氯酸钠溶液中的有效氯与铅盐的摩尔比为1：1-6:1，优选为2:1。


4.如权利要求1所述的一种不同形貌...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，刘佳，钟兴，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33