活性碳纤维表面加载催化剂工艺研究

于丽媛，朱 波

（山东大学，济南 250014）

活性碳纤维表面加载催化剂工艺研究

于丽媛，朱 波

（山东大学，济南 250014）

以活性碳纤维表面加载催化剂工艺为研究课题，通过浸渍—煅烧法将氧化铜、氧化铈负载至碳纤维表面，并对负载量进行了研究、归纳和总结，论证了浸渍法附着催化剂的高效与简易优势。结果表明：使用浸渍法对活性碳毡进行催化剂附着，不仅操作简单，而且可以定量负载。实际附载量是完全负载量的1/3，呈良好的线性关系，随着浓度的升高，催化剂的负载量也越来越高；由扫描电镜图可以看出采用浸渍法负载的催化剂比较均匀。

活性碳纤维；催化剂；加载工艺；研究

0 引言

NOx是引起酸雨和光化学烟雾，破坏地球生态环境和影响人体健康的主要污染物之一。如何有效的去除NOx，是当前环境保护中一个令人关注的重要课题[1～5]。现有研究表明，贵金属和金属氧化物对污染物有较高的催化活性，但同时这些催化剂对氧也有较高的亲和力，这导致催化剂失去了基本作用。随着人们对碳材料特性的认识和改进，碳材料作为一种载体在催化剂制备中的应用日趋广泛。Subrenat等[6～9]用经硝酸处理的活性碳纤维（ACF）作还原剂净化NO废气，取得了较好的实验结果；中山大学的陆耘等[10～12]也初步研究了以ACF为载体的催化剂和NH3作还原剂对NO的催化还原作用。但以负载稀土元素的ACF作催化剂净化NO的研究尚不多见。

以活性碳纤维表面加载催化剂工艺研究为课题，通过浸渍—煅烧法将氧化铜和氧化铈负载至碳纤维表面，并对负载量进行了研究、归纳和总结，最终论证了浸渍法附着催化剂的高效与简易优势。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

碳纤维：ACF由日本公司提供，为聚丙烯腈碳纤维（PAN-ACF）；

Cu（NO3）2·3H2O；Ce（NO3）2·6H2O；纯水；保护气体（氩气）；

GSL-1700X-S60管式炉；真空干燥箱；化学实验玻璃器皿若干。

1.2 催化剂的制备

1.2.1 CuO/ACF催化剂制备

用电子天平称取4 份0.5 g ACF，将ACF分别放入不同浓度的硝酸铜溶液中进行等体积浸渍，静置24 h。取出放置于洁净的鼓风干燥箱内于85℃条件下至完全干燥。其中一组ACF放入纯水中进行相同处理，作为对照组。

将4 组浸渍后的ACF放置于管式电炉的陶瓷圆管中，在氩气保护和220 ℃条件下使硝酸铜分解。分解完成后，停止管式电炉加热，使CuO/ ACF在氮气氛围中降温至常温。称量冷却至常温的CuO/ACF，并计算实际催化剂的附着比例，制得不同CuO负载量的样品。

1.2.2 CeO2/ACF催化剂制备

采用类似方法制备CeO2/ACF催化剂，硝酸铈的分解温度为330 ℃。

1.2.3 CuO-CeO2/ACF 催化剂制备

用电子天平称取4 份0.5 g ACF，同样取一组ACF作为对照组，其他3 组分别放入不同浓度的Cu（NO3）2·3H2O；Ce（NO3）2·6H2O混合溶液中。采用类似方法制备不同负载量的 CuO-CeO2/ ACF催化剂。分解温度为330 ℃。

2 结果与讨论

按照完全附着情况下配制硝酸铈溶液，得到理论负载量为10%的CeO/ACF催化剂实际负载量为质量分数3.73%，此数据为多次实验后的均值，故具备良好的可靠性。实验中样品的标记均为理论负载量。

通过多次实验的数据可以看出，实际催化剂的附着量应该是假设完全附着量的约1/3，这样的附着量与实验的过程简便性比较起来是比较高的。由实验数据图1也可以看出，催化剂的附着量基本上与元素的投入量是成线性的。这为接下来制作较大面积的催化剂样品提供了参考。同时，对实验样品做电镜扫描后，得到图像如图2～8所示。

混合系列样品的扫描图像同样证明了随着浓度的升高，催化剂的负载量也越来越高。而且使用浸渍法负载的氧化物比较均匀。从扫描图像来看，硝酸盐浓度30%时，制作出来的样品催化剂附着较为均匀，而且基本上附着在碳纤维的表面。

表1 CuO/ACF实验数据

表2 CuO-CeO2/ACF实验数据

实验中采用了浸渍法作为催化剂附着的方法，这是考虑到了浸渍法简单易操作的优势，整个制作过程十分简单，不需要投入大量的人力物力，也不需要大量的计算和假设。在整个实验过程中，首先药品使用量得到了很好的控制，虽然催化剂附着效率比假设值低，但是等体积浸渍法本身控制了药品的使用量，避免了药品的浪费，可以采用多次浸渍法来提高催化剂负载量；其次浸渍后的废液可以集中处理，这样可以很简便的降低实验对环境的影响。

图1 数据图像

图2 ACF(对照组)

图3 质量分数10%CuO样品

图4 质量分数20%CuO样品

图5 质量分数30%CuO样品

图6 质量分数10%CuO和10%CeO样品

图7 质量分数20%CuO和10%CeO样品

图8 质量分数30%CuO和10%CeO样品

3 结论

在环境问题越来越严重的今天，汽车尾气的后处理已经变得越来越重要。对活性碳纤维附载催化剂方法进行了探究，重点研究了使用浸渍法将催化剂附着在碳纤维上的过程，并通过比对，研究催化剂附着的实际比例，归纳出较为合理的催化剂溶液浓度，为进一步测试负载稀土元素活性碳纤维降低汽车尾气中氮氧化物的含量做准备。通过多次实验，基本确定了利用等体积浸渍法在碳纤维上附着催化剂方法的实验条件，并通过空白项的对比，排除碳纤维本身对催化剂附着的影响，最终初步探究出催化剂附着的质量分数，为负载稀土元素催化剂的活性碳纤维工业化生产做好了准备，鉴于其对汽车尾气高效的催化净化活性，必将会有广阔的发展前景。

[1] Koebel M, Madia G, Elsener M. Selective catalytic reduction of NO and NO2at low temperature[J]. Catal Today, 2002, 73(2): 239-247.

[2] 宋庆英, 腾家伟. AgCl/H-ZSM-5催化分解NO反应及失活机理[J]. 工业催化, 2003, 11(1): 37-39.

[3] Parvulescu V I, Grange P, Delmon B. Catalytic removal of NO[J]. Catal Today, 1998, 46(2): 233-316.

[4] Zhai Yunbo, Wei Xianxun, Zeng Guangming. Effect of pyrolysis temperature and hold time on the characteristic parameters of adsorben derived from swage sludge[J]. J EnvironSci, 2004, 16(4): 683-686.

[5] Teng Jiawei, Cai Tianxi, Bao Xinhe. Ag-ZSM-5 Catalystfor catalytic decomposition of NO[J]. Chin ChemLett, 1999, 17(3): 325-332.

[6] Subrenat A, Cloirec P L. Adsorption onto activated carboncloths and electro thermal regeneration: its potential industrialapplications[J]. J Environ Eng, 2004, 130(3): 249-257.

[7] Vivekanand Gaur, Ashutosh Sharma, NishithVerma. Preparationand characterization of ACF for the adsorption of BTX and SO2[J]. ChemEng Process, 2006, 45(1): 1-13.

[8] Ryu S K, Kin S Y, Li Z J. Characterization of silvercontainingpitch-based activated carbon fibers[J]. J Colloid InterfaceSci, 1999, 220(1): 157-162.

[9] Soo-Jin Park, Yu-Sin Jang. Preparation and characterization of activated carbon fibers supported with silver metal for antibacterial behavior[J]. J Colloid Interface Sci, 2003, 261(2): 238-243.

[10] 陆耘, 陈移山, 符若文, 等. 以活性碳纤维为载体的催化剂对NO的催化还原作用—一.铜系催化剂[J]. 离子交换与吸附, 1994, 10(1): 32-40.

[11] 陆耘, 陈移山, 符若文, 等. 以活性碳纤维为载体的催化剂对NO的催化还原作用—二.镍系催化剂[J]. 离子交换与吸附, 1994, 10(1): 41-48.

[12] 陆耘, 陈移山, 符若文, 等. 以活性碳纤维为载体的催化剂对NO的催化还原作用—三.铜钴复合催化剂[J].离子交换与吸附, 1994, 10(2): 119-126.

Study on technology of loading catalyst on the surface of activated carbon fiber

YU Li-yuan, ZHU Bo

( Shandong University, jinan 250014 China )

The main topic of this paper is the study on technology for catalyst loading on the surface of activated carbon fiber(ACF), which uses dipping method to adhere CuO and CeO2to the surface of the ACF. Finally, the paper summarizes the loading capacity of the catalyst and discusses the efficient and simplicity of the dipping method which is used to adhere catalyst. The results show that: Using dipping method to adhere catalyst to the surface of ACF, is not only easy to operate, but also can be loaded quantitatively. The actual amount of catalyst attached on ACF should be about one third of the assuming completely adherent amount, and these two amounts have a good linear relationship. With the increase of concentration, the loading amount of catalysts is larger. We can see from the scanning images that the catalyst is loaded uniform, and most of them loaded on the surface of ACF.

activatedcarbon fiber; catalyst; loading process; study

TQ342.742

A

1007-9815（2016）05-0053-04

定稿日期:2016-10-13

国家自然科学基金（51473088），山东省高等学校科技计划项目（J14LA05）

于丽媛（1990-），女，济南人，博士，研究方向为活性碳纤维吸附材料，(电子信箱)303497081@qq.com；通讯作者：朱波（1969-），男，博士，教授，研究方向为碳纤维及其复合材料，(电子信箱)zhubo_sdu@139.com。