基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器，其特征在于，该纳反应器包括多孔薄膜和负载在该多孔薄膜的孔道内和/或孔道外的催化剂活性组分，负载在多孔薄膜的孔道内的催化剂活性组分具有三维网状结构，所述多孔薄膜上的孔贯穿多孔薄膜，且该孔的直径小于1000纳米。本发明专利技术还提供了该反应器的制备和应用。由于本发明专利技术的纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器的纳米孔阵列的孔道中的催化剂活性组分具有三维网状结构，大大增加流体在流经纳米孔道时与催化剂的接触时间和接触面积，同时由于纳米孔道呈规则式排列，增加了纳反应器催化过程的连续性和催化反应的一致性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米技术、纳流控技术和催化技术交叉领域，特别是涉及一种基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器及其制备方法，该纳通道式催化纳反应器在催化反应中的应用。
技术介绍
1990年瑞士 Cil3a-Geigy提出了微反应器的概念，随后，许多的研究机构都对微反应器的制备和应用做了大量的研究工作，例如德国的卡尔斯鲁尔研究中心、日本机械工程研究室、德国美因茨微技术研究所等等，然而进入21世纪以来，纳米科学技术飞速发展，这就使得反应器的尺寸必然向着更小的尺寸发展。与微反应器相比较，纳反应器具有更高效、 更快速、更灵活、更便捷等特点，同时对环境安全及资源综合利用具有十分重要的意义，因此，近年来引起了越来越多的研究者的关注。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳通道式纳反应器，该反应器将有序的纳米孔孔阵列和催化剂活性组分结合起来，使其具有更高的催化活性。本专利技术提供一种基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器，其特征在于，该纳反应器包括多孔薄膜和负载在该多孔薄膜的孔道内和/或孔道外的催化剂活性组分，负载在多孔薄膜的孔道内的催化剂活性组分具有三维网状结构，所述多孔薄膜上的孔为阵列排布的通孔，且该孔的直径小于1000纳米。本专利技术还提供一种上述基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器的制备方法，其特征在于，该方法包括将催化剂的活性组分分散在有机溶剂和/或无机溶剂中形成分散液，将分散液与多孔薄膜接触，去除溶剂，所述多孔薄膜上的孔为阵列排布的通孔，且该孔的直径小于1000纳米。本专利技术还提供上述的基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器在催化反应中的应用。由于本专利技术的纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器的纳米孔阵列的孔道中的催化剂活性组分具有三维网状结构，大大增加流体在流经纳米孔道时与催化剂的接触时间和接触面积，同时由于纳米孔道呈规则式排列，增加了纳反应器催化过程的连续性和催化反应的一致性。附图说明图1是基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器工作装置的示意图；图2是基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器横截面的示意图。图3是基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器纵截面的示意图。图4是氧化铝纳米孔阵列的扫描电镜横截面图；图5是氧化铝纳米孔阵列的扫描电镜纵截面图；图6是负载介孔氧化钛的氧化铝纳米孔阵列的扫描透射图；图7是负载介孔氧化钛的氧化铝纳米孔阵列光催化降解甲基橙的降解率与时间关系曲线。附图标记说明1 光源2加热装置3VCR 套件4热电偶5纳通道式催化纳反应器6石英玻璃7多孔薄膜8催化剂具体实施例方式本专利技术提供一种基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器，其特征在于，该纳反应器包括多孔薄膜和负载在该多孔薄膜的孔道内和/或孔道外的催化剂活性组分，负载在多孔薄膜的孔道内的催化剂活性组分具有三维网状结构，所述多孔薄膜上的孔为阵列排布的通孔，且该孔的直径小于1000纳米。在本专利技术中，负载在纳米孔中的催化剂活性组分为三维网状结构。所述的三维网状结构中的孔为六方结构和/或四方结构，且该孔以层状结构排列，该孔的孔径一般可以为2nm-50nm。虽然孔径越小其表面积越大，但是催化底物通过的速度慢，影响效率；孔径越大其表面积越小，影响催化的效果，因此所述孔径优选为5-25nm。在本专利技术中，以多孔薄膜和负载在该多孔薄膜的孔道内和/或孔道外的催化剂活性组分的总量计，负载在该多孔薄膜的孔道内和/或孔道外的催化剂活性组分的含量可以在很大范围内变动。一般情况下，可以根据活性组分的具体种类来选择。具体地，以多孔薄膜和负载在该多孔薄膜的孔道内和/或孔道外的催化剂活性组分的总量计，催化剂活性组分的含量可以为1-40重量％，优选为10-20重量％。催化剂活性组分的含量可以根据负载催化剂活性组分后的多孔薄膜的重量和负载前多孔薄膜的重量计算得到。根据本专利技术，所述多孔薄膜上的孔为阵列排布，多孔薄膜上的孔的孔径只要为纳米级别即可，具体地，可以为lOnm-SOOnm，优选为50nm-200nm ；多孔薄膜上的孔与孔之间的距离可以根据实际的应用进行选择，一般情况下，可以为30nm-1000nm，优选为100-300nm。在本专利技术中，所述多孔薄膜的厚度一般可以为1 μ m-1000 μ m，优选为 30 μ m-400 μ m。根据本专利技术，所述纳米孔阵列薄膜的材料可以为本领域所公知的各种制备纳米孔阵列薄膜的材料。具体地，可以为金属、金属氧化物、高分子聚合物和碳化物中的一种或多种。上所述金属选自钢、铜、镍、铝、钛和锌中的一种或多种；由于钛的纳米孔阵列易于制备以及钛的耐腐蚀性强，因此优选为钛。上述金属氧化物选自氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆和氧化硅中的一种或多种； 由于氧化铝纳米孔阵列易于制备，稳定性好的原因，优选为氧化铝。上述高分子聚合物为热固型树脂，优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMQ、聚碳酸酯、尼龙、聚酰亚胺、环氧树脂和酚醛树脂中的一种或多种；由于环氧树脂耐腐性好，易于制备，便于大批量应用，因此优选环氧树脂。上述碳化物选自碳化硅、碳化硼和或金属碳化物中的一种或多种，所述金属碳化物为碳化钛、碳化锆和碳化钒中的一种或多种。由于碳化硅化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小，因此优选为碳化硅。根据本专利技术，所述催化剂活性组分可以根据具体的反应来选择，可以为本领域所公知的各种用于光催化降解有机物、催化脱氢、催化氢化反应的催化剂。具体地，可以为介孔氧化物、介孔纳米碳、金属纳米颗粒和有机催化材料中的一种或多种。所述介孔氧化物氧化钛、氧化锌、氧化钒、氧化铈、氧化锆、氧化锰、氧化钴、氧化亚铜、氧化铁和氧化镍中的一种或多种；所述的介孔纳米碳为碳纳米管、石墨烯、和多孔碳中的一种或多种；所述的金属纳米颗粒为钼、钯、铑、钌、锆、金、银、铁、钴和镍中的一种或多种；所述的有机催化材料为含有氮、氧、硫、硼和磷中一种或多种杂原子官能团的催化活性有机材料。上述官能团，具体可列举出巯基、羟基、羧基、硝基、氨基等。本专利技术还提供一种上述基于纳米孔阵列的纳通道式催化纳反应器的制备方法，其中，该方法包括将催化剂的活性组分分散在有机和/或无机溶剂中形成分散液，将分散液与所述多孔薄膜接触，去除溶剂，所述多孔薄膜上的孔为通孔，且该孔的直径小于1000纳米。根据本专利技术的方法，该方法还包括将所述多孔薄膜与分散液接触前，进行化学表面改性。所述表面化学改性的方法可以为本领域公知的各种方法，例如包括等离子体表面处理、反应离子刻蚀和官能团修饰中的一种或多种。根据本专利技术的方法，分散液与所述多孔薄膜接触时的温度、时间、分散液的浓度等可以为本领域所公知的。一般情况下，接触的温度可以为15-60度，时间为lmin-17day，分散液的浓度可以为0. lmol/L-1. 5mol/L。所述将分散液与所述多孔薄膜接触的方式可以为本领域所公知的各种方式。例如将多孔薄膜浸泡在分散液中。也可以是将分散液滴加在多孔薄膜孔中。根据本专利技术的方法，所述的有机溶剂可以为本领域所公知的各种有机溶剂，具体地，可以根据催化剂的活性组分来选择，选择溶剂时，溶剂只要满足能够将催化剂活性组分溶解且不与纳米孔阵列薄膜反应即可。这样的溶剂可以为烃类溶剂、醇类溶剂和醚类溶剂。 优选为甲醇、乙醇、乙二醇、二氯甲烷、石油醚和乙醚中的一种或几种。选择无机溶剂时，也是只要满足能够将催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：智林杰，贾玉莹，罗彬，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：