本發明涉及納米材料制備技術的領域，具體涉及一種片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料及其制備方法和在脫汞方面的應用。

背景技術：

氧化鈰是一種用途極廣的稀土氧化物，具有可快速轉換的Ce³⁺/Ce⁴⁺、優越的儲放氧功能、高溫快速氧空位擴散能力，被廣泛應用于催化領域。當將材料尺寸控制在納米尺寸時，呈現出獨特的物理化學性能，有利于提升其催化活性。而且不同形貌結構的氧化鈰納米材料在催化性能也存在很大的差異。近年來，研究獲得了棒狀、花狀、球狀、纖維狀、片狀等多種形貌的氧化鈰材料，其中分散性好、規則有序、比表面積大的片狀納米氧化鈰材料在催化領域具有良好的應用前景。

而氧化鈰摻雜其他外來金屬離子后，離子尺寸不同引起的晶格結構的扭曲形變，或摻雜離子價態的改變打破離子價態平衡，這些都可以導致晶格內出現更多的晶格缺陷和氧空位，從而進一步增加儲氧能力和氧化還原能力，進而提高催化活性。因此研發新型的片狀金屬摻雜氧化鈰納米材料是重點發展方向之一。

目前氧化鈰納米材料的合成方法大多原料復雜、步驟復雜，周期長，且不夠清潔節能，不易推廣應用，且材料在催化應用方面存在一定的局限性。

技術實現要素：

為解決上述現有技術存在的問題。本發明的目的在于提供一種比表面積更大的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料及其制備和應用。本發明制備方法簡單、制備周期短、清潔、重復性。制備的鈷摻雜氧化鈰納米材料比表面積大，儲氧能力強，脫汞效果好，應用簡單，使用方便。

本發明的目的是通過以下方式實現的。

一種片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，包括如下步驟：將硝酸鈰、鈷鹽、聚乙烯吡咯烷酮、尿素混合經水熱反應后，再經過煅燒，獲得片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，鈷鹽包括氯化鈷、硝酸鈷、醋酸鈷中的一種或幾種。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，鈰與鈷的摩爾比：1:(0.02～0.2)。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，所采用的硝酸鈰、聚乙烯吡咯烷酮和尿素投加的質量比為：1:(0.5～2):(2～6)。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，水熱反應溫度130℃-170℃，時間10-12小時。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，煅燒溫度450-600℃，煅燒2-4h。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，將硝酸鈰和鈷鹽及聚乙烯吡咯烷酮加入到去離子水中，磁力攪拌5-30分鐘，加入一定量的尿素混合水解反應20-60分鐘，得到的混合物再進行水熱反應。

所述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，水熱反應后的產物水洗三次，乙醇洗兩次，抽濾后，將其60℃干燥8小時以上，再進行煅燒。

上述的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料用于催化脫汞。具體的方法為：

反應溫度為150℃-250℃，氣態Hg⁰的濃度為50-100μg/m³，載氣為N₂，空速為150000h^-1，所述材料在載氣或含有4％以下O₂的載氣條件下進行脫汞。

本發明的優點是：

(1)本發明提供了一種片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的制備方法，制備過程簡單清潔可控，原料簡單易得，同時，目前許多效果較好的脫汞催化劑中含有Au、Pd等貴金屬，成本較高，本方法制備原料價格相對較低。

(2)本發明提供的鈷摻雜氧化鈰呈現形貌規則、尺寸均一的片狀結構，晶粒有序堆疊，使材料結構表面呈凹凸不平狀，有利于增加反應位點和活性，同時與純二氧化鈰相比，材料表面氧含量及儲氧能力具有大幅度提升。

(3)本發明的鈷摻雜氧化鈰的納米材料，脫汞效果好，處理濃度為75μg/m³的Hg⁰蒸氣，在無氧或通入4％氧氣后，脫汞效果均可達到97％，而一般的催化劑往往還需要通入HCl才能進行脫汞。

附圖說明

圖1為本發明方法所制備的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的SEM圖和TEM圖；

圖2為本發明方法所制備的片狀結構的鈷摻雜氧化鈰納米材料的XRD圖譜；

圖3為實施例1中獲得的鈷摻雜氧化鈰脫汞效果圖；

圖4為實施例2中獲得的鈷摻雜氧化鈰脫汞效果圖。

具體實施方式

以下以具體的實施例來說明本發明作進一步說明，但有必要指出以下實施例只用于對發明內容的進一步說明，并不會形成對本發明的限制。

實施例1

將0.143g硝酸鈰，0.095g氯化鈷及0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入30mL去離子水中，磁力攪拌10min直到其完全溶解，然后將2.196g尿素加入到反應溶液中，攪拌反應30min，將混合物加入到水熱反應釜中。將反應釜放入烘箱中，150℃恒溫10h。然后將所得混合溶液用去離子水洗滌三次，乙醇洗兩次，在60℃烘箱中干燥10h，最后在馬弗爐中500℃煅燒4h，即可得到鈷摻雜氧化鈰的片狀納米材料。

實施例2

將0.143g硝酸鈰，0.062g醋酸鈷及0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入30mL去離子水中，磁力攪拌10min直到其完全溶解，然后將2.196g尿素加入到反應溶液中，攪拌反應30min，將混合物加入到水熱反應釜中。將反應釜放入烘箱中，150℃恒溫10h。然后將所得混合溶液用去離子水洗滌三次，乙醇洗兩次，在60℃烘箱中干燥10h，最后在馬弗爐中500℃煅燒4h，即可得到鈷摻雜氧化鈰的片狀納米材料。

實施例3

將0.143g硝酸鈰，0.073g硝酸鈷及0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入30mL去離子水中，磁力攪拌10min直到其完全溶解，然后將2.196g尿素加入到反應溶液中，攪拌反應30min，將混合物加入到水熱反應釜中。將反應釜放入烘箱中，150℃恒溫10h。然后將所得混合溶液用去離子水洗滌三次，乙醇洗兩次，在60℃烘箱中干燥10h，最后在馬弗爐中500℃煅燒4h，即可得到鈷摻雜氧化鈰的片狀納米材料。

實施例4

在200℃的條件下，分別以實施例1所制備的材料為催化劑處理濃度為75μg/m³的Hg⁰蒸氣，空速為150000h^-1，在通N₂載氣條件下，脫汞效果可達到97％。

實施例5

在200℃的條件下，分別以實施例2所制備的材料為催化劑處理濃度為75μg/m³的Hg⁰蒸氣，空速為150000h^-1，以N₂為載氣，在通4％O₂條件下，脫汞效果可達到98％。