Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

PL240269B1 - Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application - Google Patents

Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application Download PDF

Info

Publication number
PL240269B1
PL240269B1 PL423615A PL42361517A PL240269B1 PL 240269 B1 PL240269 B1 PL 240269B1 PL 423615 A PL423615 A PL 423615A PL 42361517 A PL42361517 A PL 42361517A PL 240269 B1 PL240269 B1 PL 240269B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
composite material
carbon
silica
material according
core
Prior art date
Application number
PL423615A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL423615A1 (en
Inventor
Piotr KUŚTROWSKI
Piotr Kuśtrowski
Tomasz Kondratowicz
Kamil Machowski
Piotr NATKAŃSKI
Piotr Natkański
Original Assignee
Univ Jagiellonski
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Jagiellonski filed Critical Univ Jagiellonski
Priority to PL423615A priority Critical patent/PL240269B1/en
Priority to DE102018129499.9A priority patent/DE102018129499A1/en
Publication of PL423615A1 publication Critical patent/PL423615A1/en
Publication of PL240269B1 publication Critical patent/PL240269B1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/38Removing components of undefined structure
    • B01D53/44Organic components
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86Catalytic processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86Catalytic processes
    • B01D53/8668Removing organic compounds not provided for in B01D53/8603 - B01D53/8665
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9459Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42Platinum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74Iron group metals
    • B01J23/75Cobalt
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/40Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
    • B01J35/45Nanoparticles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/51Spheres
    • B01J35/53Spheres with a core-shell structure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0072Preparation of particles, e.g. dispersion of droplets in an oil bath
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2257/00Components to be removed
    • B01D2257/70Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/708Volatile organic compounds V.O.C.'s
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2258/00Sources of waste gases
    • B01D2258/01Engine exhaust gases

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Description

PL 240 269 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał kompozytowy w postaci cząstek stałych o budowie typu rdzeń-powłoka-faza aktywna, sposób otrzymywania takiego materiału kompozytowego i jego zastosowanie do eliminacji lotnych związków organicznych.

Emisja lotnych związków organicznych (LZO) do atmosfery zarówno ze źródeł naturalnych, jak i antropogenicznych jest jednym z poważniejszych zagrożeń dla środowiska naturalnego oraz zdrowia człowieka. Substancje te zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio oddziałują ze składnikami atmosfery powodując zachodzenie reakcji fotochemicznych, a niejednokrotnie wykazują właściwości kancerogenne i mutagenne. Redukcja emisji LZO może być realizowana poprzez kontrolę źródeł przemysłowych (m.in. gazów odlotowych generowanych przez zakłady farbiarskie, lakiernie, zakłady farmaceutyczne, piekarnie itd.) wytwarzających blisko połowę łącznej ilości LZO uwalnianych w wyniku działalności człowieka. Obok metod pierwotnych zmierzających do ograniczenia poziomu emisji związków organicznych, opracowano szereg rozwiązań polegających na wyłapywaniu (techniki niedestrukcyjne) lub unieszkodliwianiu (techniki destrukcyjne) LZO zawartych w powietrzu. Do najczęściej wykorzystywanych technik należą: utlenianie termiczne i katalityczne, adsorpcja, kondensacja oraz separacja membranowa.

Adsorpcja lotnych związków organicznych

Ze względu na wysoką efektywność, niskie koszty eksploatacji niezbędnych urządzeń oraz przyjazny środowisku charakter podstawowym procesem usuwania LZO ze źródeł niskoemisyjnych jest adsorpcja. W trakcie regeneracji zużytego adsorbentu istnieje dodatkowo możliwość odzyskania związanych uprzednio molekuł oraz ich ponownego wykorzystania. Jako adsorbenty LZO najszerzej stosowane są materiały węglowe oparte na węglu aktywnym wytwarzanym z węgli kopalnych bądź biomasy. Coraz większe znaczenie przy produkcji węgla aktywnego zyskują jednak polimery (np. poliakrylonitryl, poli(chlorek winylu), poli(alkohol furfurylowy), żywice rezolowe). Zaletą stosowania syntetycznych surowców polimerowych jest uzyskiwanie węgli aktywnych, które wykazują powtarzalny skład i niską zawartość popiołu. Węgle aktywne otrzymuje się w procesie pirolizy (karbonizacji) materiału wyjściowego prowadzonym w wysokich temperaturach w atmosferze obojętnej z następczą aktywacją fizyczną lub chemiczną otrzymanego produktu. Celem pierwszej z wymienionych ścieżek aktywacji jest zwiększenie porowatości oraz powierzchni właściwej węgla aktywnego poprzez usunięcie pierwiastków niewęglowych. Druga metoda służy natomiast do generowania odpowiednich właściwości powierzchniowych. Do aktywacji fizycznej używana jest zwykle para wodna bądź dwutlenek węgla, podczas gdy aktywacja chemiczna jest najczęściej prowadzona w obecności KOH, ZnCI2, czy H3PO4. Otrzymywane w powyższy sposób węgle aktywne są materiałami mikroporowatymi o wysoko rozwiniętej powierzchni właściwej.

W ostatnich latach prowadzone były intensywne badania nad porowatymi materiałami węglowymi o kulistym kształcie cząstek ze średnicami w zakresie od kilkudziesięciu nanometrów do kilkudziesięciu mikrometrów, przeznaczonymi przede wszystkim do zastosowań adsorpcyjnych, medycznych (nośniki leków) i elektrochemicznych (materiały elektrodowe). Tego typu materiały syntetyzowane są głównie z wykorzystaniem: (i) metody hydrotermalnej modyfikacji sacharydów i ich kopolimerów (np. z pochodnymi fenolu), (ii) techniki odwzorowania miękkich szablonów organicznych, jak również (iii) ścieżki replikacji strukturalnej sferycznych materiałów krzemionkowych. Synteza sferycznych materiałów węglowych zgodnie z pierwszym z wymienionych podejść polega na wstępnym odwodnieniu prekursora węgla (np. glukozy, ksylozy, fruktozy, mieszaniny ksylozy z fenolem) w warunkach hydrotermalnych (140-210°C), ewentualnej aktywacji (np. z użyciem KOH), a następnie karbonizacji w obecności gazu obojętnego (np. argonu lub azotu) w temperaturach z zakresu 600-1000°C. Uzyskane w ten sposób materiały charakteryzują się powierzchnią właściwą w zakresie od 13 (bez aktywacji) do ok. 1280 m2/g (po aktywacji KOH), wynikającą głównie z obecności nieregularnie ułożonych mikroporów [M. Li, W. Li, S. Liu, Hydrothermal synthesis, characterization, and KOH activation of carbon spheres from glucose, Carbohydrate Research 346 (2011) 999-1004; J. Ryu, Y.-W. Suh, D.J. Suh, D.J. Ahn, Hydrothermal preparation of carbon microspheres from mono-saccharides and phenolic compounds, Carbon 48 (2010) 1990-1998; Q. Wang, H. Li, L. Chen, X. Huang, Monodispersed hard carbon spherules with uniform nanopores, Carbon 39 (2001) 2211-2214].

W odróżnieniu od powyżej opisanej techniki, rozwiązania wykorzystujące organiczne lub nieorganiczne szablony strukturotwórcze pozwalają na otrzymanie materiałów węglowych z uporządkowanym systemem porów o kontrolowanej wielkości, w tym układów mezoporowatych. Zaletą mezoporowatych węgli aktywnych, otrzymywanych metodami odwzorowania templatów, jest znaczna szerokość

PL 240 269 B1 jednorodnych porów (przy powierzchni właściwej porównywalnej do konwencjonalnych węgli aktywnych), co eliminuje ograniczenia dyfuzyjne w zastosowaniach adsorpcyjnych, czy katalitycznych. W metodzie odwzorowania miękkich szablonów organicznych (ang. soft-template metod) jako surfaktanty stosuje się głównie kopolimery blokowe (np. Pluronic F127, Pluronic P123) bądź halogenki alkiloamoniowe, tworzące matryce zbudowane z miceli, na/w których ulega polimeryzacji prekursor węgla (najczęściej żywice fenolowo-formaldehydowe) [M. Li, J. Xue, Ordered mesoporous carbon nanoparticles with wellcontrolled morphologies from sphere to rod via a soft-template route, Journal of Colloid and Interface Science 377 (2012) 169-175; J. Liu, T. Yang, D. -W. Wang, G. Qing (Max) Lu, D. Zhao, S.Z. Qiao, A facile soft-template synthesis of mesoporous polymeric and carbonaceous nanospheres, Nature Communications 4 (2013) 2798]. Sferyczny kształt otrzymanych cząstek uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniej ilości surfaktantu lub ko-surfaktantu. Utworzony polimer poddaje się modyfikacji termicznej w obecności gazu obojętnego w temperaturach z zakresu 400-800°C. Otrzymane tą techniką materiały węglowe wykazują obecność uporządkowanych mezoporów i charakteryzują się powierzchnią właściwą rzędu 460-1380 m2/g.

Najczęściej opisywaną w literaturze naukowej techniką syntezy węgli o uziarnieniu kulistym jest odwzorowanie sferycznych szablonów krzemionkowych (ang. hard-template metod). Typowa procedura syntezy tego typu replik węglowych obejmuje: (i) otrzymanie mezoporowatego szablonu krzemionkowego o kulistym kształcie cząstek, (ii) depozycję prekursora węgla w systemie porów krzemionki np. na drodze impregnacji, polimeryzacji in situ lub osadzania z fazy gazowej (CVD), (iii) karbonizację uzyskanego materiału w atmosferze obojętnej w temperaturze z zakresu 800-1100°C do formy nanokompozytu węglowo-krzemionkowego, a następnie (iv) usunięcie szablonu krzemionkowego na drodze trawienia mocnymi alkaliami (np. NaOH) lub HF [M.-H. Kim, K.-B. Kim, S-M. Park, K. C. Roh, Hierarchically structured activated carbon for ultracapacitors, Scientific Reports 6 (2016) 21182; M. Kim, S.B. Yoon, K. Sohn, J.Y. Kim, C.-H. Shin, T. Hyeon, J.-S. Yu, Synthesis and characterization of spherical carbon and polymer capsules with hollow macroporous core and mesoporous shell structures, Microporous and Mesoporous Materials 63 (2003) 1-9; T.-W. Kim, P.-W. Chung, V S.-Y. Lin, Facile Synthesis of Monodisperse Spherical MCM-48 Mesoporous Silica Nanoparticles with Controlled Particle Size, Chemistry of. Materials 22 (2010) 5093-5104]. W metodzie tej jako sztywne matryce wykorzystywane są często komercyjne sferyczne żele krzemionkowe o nieuporządkowanym układzie porów, jak również mezoporowate uporządkowane materiały krzemionkowe (np. SBA-15, SBA-16, MCM-41, MCM-48) formowane poprzez odpowiedni dobór surfaktantów do postaci kul o zdefiniowanej średnicy. Jako prekursory węgla stosuje się, podobnie jak w poprzednio omawianych metodach, żywice rezolowe, polialkohol furfurylowy), poliakrylonitryl oraz disacharydy (np. sacharozę) [H.l. Melendez- Ortiz, L.A. Garcia-Cerda, Y. Olivares-Maldonado, G. Castruita, J.A. Mercado-Silva, Y.A. Perera-Mercado, Preparation of spherical MCM-41 molecular sieve at room temperature: Influence of the synthesis conditions in the structural properties, Ceramics International 38 (2012) 6353-6358; T.-W. Kim, P.-W. Chung, V S.-Y. Lin, Facile Synthesis of Monodisperse Spherical MCM-48 Mesoporous Silica Nanoparticles with Controlled Particle Size, Chemistry of Materials 22 (2010) 5093-5104; M.A. Ballem, E. M. Johansson, J.M. Córdoba, M. Oden, Synthesis of hollow silica spheres SBA-16 with large-pore diameter, Materials Letters 65 (2011) 1066-1068; A. Katiyar, S. Yadav, P.G. Smirniotis, N.G. Pinto, Synthesis of ordered large pore SBA-15 spherical particles for adsorption of biomolecules, Journal of Chromatography A 1122 (2006) 13-20]. W celu poprawy właściwości użytkowych, materiały węglowe otrzymane wyżej opisanymi technikami można poddać następczej aktywacji fizycznej lub chemicznej, przy użyciu analogicznych metod, jak stosowane dla węgli aktywnych pochodzenia naturalnego, na przykład poprzez częściowe zgazowanie materiału węglowego czynnikiem gazowym (np. parą wodną, ditlenkiem węgla), czy aktywację chemiczną roztworem wodorotlenku (np. KOH, NaOH) lub kwasu (np. H3PO4, HNO3).

Katalityczne utlenienie lotnych związków organicznych

Obok technologii adsorpcyjnych, szeroko stosowaną metodą usuwania LZO z fazy gazowej jest ich dopalanie katalityczne. Katalizatory używane w tym procesie zawierają zazwyczaj niewielkie ilości metali szlachetnych (np. Pt, Pd, Au czy Rh), które jako faza aktywna charakteryzują się bardzo wysoką efektywnością działania, stabilnością termiczną oraz selektywnością w otrzymywaniu pożądanych produktów reakcji (głównie H2O oraz CO2). Z powodu znacznych kosztów wytwarzania oraz podatności na zatruwanie prowadzone są jednak intensywne badania mające na celu znalezienie alternatywnych materiałów aktywnych katalitycznie w procesie dopalania LZO. Przykładem takich układów mogą być katalizatory zawierające tlenki metali przejściowych i ich mieszaniny (np. CuO, CosO4, MnO2, Fe2O3, CeO2), charakteryzujące się wysoką odpornością na zatruwanie (w tym związkami zawierającymi

PL 240 269 B1 siarkę) oraz niższymi kosztami produkcji w porównaniu do katalizatorów opartych na metalach szlachetnych. Ze względu na korzystny wpływ rozwinięcia powierzchni właściwej na aktywność katalizatora, fazę aktywną nanosi się na nośnik o odpowiednio dobranej porowatości, a zatem wyeksponowanej powierzchni (np. y-AbOs, TiO2, ZrO2, zeolity, glinokrzemiany naturalne, porowaty żel krzemionkowy) [R. Arroyo, G. Cordoba, J. Padilla, V.H. Lara, Influence of manganese ions on the anatase - rutile phase transition of TiO2 prepared by the sol-gel process. Materials Letters 54 (2002) 397-402; M.R. Moreles, B.P. Barbera, T. Lopez, L.E. Cadus, H. Moreng: Evoluantion and characterization of Mn-Cu mixed oxide catalyst supported on TiO2 and ZrO2 for ethanol total oxidation. Fuel 88 (2009) 2120-2129, A. Szegedi, M. Popova, K. Lazar, S. Klebert, E. Drotar, Impact of silica structure of copper and iron-containing SBA-15 and SBA-16 materials on toluene oxidation, Microporous and Mesoporous Materials 177 (2013) 97-104; A. Rokicińska, P. Natkański, B. Dudek, M. Drozdek, L. Litynska-Dobrzyńska, P. Kuśtrowski, Co3O4-pillared montmorillonite catalysts synthesized by hydrogel-assisted route for total oxidation of toluene, Applied Catalysis B: Environmental 195 (2016) 59-68]. Wykazano, że układy tlenkowe osadzone na podłożu ZrO2 o strukturze tetragonalnej wyróżnia większa aktywność w całkowitym utlenieniu LZO niż katalizatory naniesione na tlenek glinu, co spowodowane jest większą reaktywnością tlenu obecnego w strukturze ZrO2. W celu poprawy właściwości katalitycznych, materiały osadzone na nośniku modyfikowane są dodatkowo metalami przejściowymi lub szlachetnymi [H.-J. Sedjame, C. Fontaine, G. Lafaye, J. Barbier Jr, On the promoting effect of the addition of ceria to platinum based alumina catalysts for VOCs oxidation, Applied Catalysis B: Environmental 144 (2014) 233-242; J.C. Rooke, T. Barakat, M. Franco Finol, P. Billemont, G. De Weireld, Y. Lie, R. Cousin, J.-M. Giraudon, S. Siffert, J.-F. Lamonier, B.L. Su, Influence of hierarchically porous niobium doped TiO2 supports in the total catalytic oxidation of model VOCs over noble metal nanoparticles, Applied Catalysis B: Environmental 142-143 (2013) 149-160].

W literaturze zostały opisane przykłady udanych syntez materiałów sferycznych opartych na ZrO2, w których składnik ten tworzy rdzeń sfery („core”) lub powłokę („shell”). W pierwszym z wymienionych przypadków, sferyczne porowate cząstki tlenku cyrkonu(IV) syntetyzowane są metodą hydrotermalną, zol-żel lub z wykorzystaniem odwzorowania miękkich i twardych szablonów strukturotwórczych [Y. Chang, C. Wang, T. Liang, C. Zhao, X. Luo, T. Guo, J. Gong, H. Wu, Sol-gel Synthesis of Mesoporous Spherical Zirconia, RSC Advances 5 (2015) 104629-104634]. Z drugiej strony, do wytworzenia sferycznych otoczek ZrO2, tzw. materiałów typu shell, konieczne jest zastosowanie sferycznego rdzenia, na powierzchni którego osadzana jest warstwa prekursora ZrO2, np. na drodze hydrolizy alkoholanów cyrkonu lub chlorku cyrkonylu [H. Zhang, Z.-T. An, Q. Tang, W.-C. Li, Optimization design of novel spray reaction synthesis of mesoporous c-ZrO2 spherical particles, Journal of Computer-Aided Materials Design 14 (2007) 309-316]. W zależności od zastosowanego materiału rdzeń może zostać usunięty na drodze kalcynacji (w przypadku cząstek polimerowych) lub wytrawiania (w przypadku rdzenia krzemionkowego) [Y. Jiang, S. Yang, X. Ding, Y. Guo, H. Bala, J. Zhao, K. Yu, Z. Wang, Synthesis and catalytic activity of stable hollow ZrO2-SiO2 spheres with mesopores in the shell wall, Journal of Materials Chemistry 15 (2005) 2041-2046; J. Yin, X. Qian, J. Yin, M. Shi, J. Zhang, G. Zhou, Preparation of polystyrene/zirconia core-shell microspheres and zirconia hollow shells, Inorganic Chemistry Communications 6 (2003) 942-945].

Materiały kompozytowe o strukturze rdzeń-powłoka znane są z literatury patentowej, w tym również w odniesieniu do funkcji adsorpcyjno-katalitycznej w eliminacji lotnych związków organicznych. I tak np. zgłoszenie międzynarodowe WO16069856A1 ujawnia katalizatory zbudowane z metali nieszlachetnych do usuwania ozonu, lotnych związków organicznych i innych zanieczyszczeń ze strumienia powietrza. Katalizator zawiera otoczkę, stałe podłoże umieszczone wewnątrz otoczki oraz warstwę katalizatora umieszczoną na podłożu. Warstwa katalizatora zawiera pierwszy składnik aktywny katalitycznie w postaci metalu nieszlachetnego, drugi składnik w formie metalu nieszlachetnego i materiał podłoża impregnowany co najmniej jednym z tych składników. Korzystną kompozycją katalizatora jest kombinacja tlenku manganu i tlenku miedzi.

W dokumencie WO09157434A1 opisany został sposób oczyszczania gazu wylotowego zawierającego dwutlenek węgla, polegający na dopalaniu LZO i związków siarki w obecności katalizatora zawierającego jeden lub więcej tlenków metali wybranych z grupy składającej się z tlenku cyrkonu, tlenku tytanu i tlenku krzemu oraz jeden lub więcej metali szlachetnych wybranych z grupy obejmującej platynę, pallad i iryd.

PL 240 269 B1

Amerykańskie zgłoszenie patentowe US2015057149A ujawnia katalizatory i sposoby wytwarzania katalizatorów do utlenienia CO i/lub lotnych związków organicznych. W jednym przykładzie wykonania katalizator zawiera zredukowany metal z grupy metali szlachetnych w ilości większej niż 30% mas., przy czym katalizator utlenia lotne związki organiczne i/lub CO w temperaturze 150°C lub niższej. W innym przykładzie wykonania ujawniono katalizator do utlenienia formaldehydu, metanolu, kwasu mrówkowego i/lub CO w temperaturze od około 20°C do około 45°C pod ciśnieniem atmosferycznym, przy czym katalizator zawiera zredukowany metal z grupy metali szlachetnych zdyspergowany na nośniku wybranym z grupy składającej się z CeO2, TO2, ZrO2, Al2O3, SO2 i ich kombinacji.

Rozwiązanie opisane w chińskim patencie CN103480369B dotyczy katalizatora kompozytowego z nanometryczną platyną, jego przygotowania i zastosowania. Wiele centrów aktywnych katalizatora utworzonych przez nanocząstki Pt jest osadzanych na nośniku w postaci SO2 tworząc strukturę rdzenia SiO2/Pt. Zewnętrzna powierzchnia rdzenia SiO2/Pt jest pokryta warstwą mezoporowatego dwutlenku cyrkonu formując strukturę typu rdzeń-powłoka (core-shell) SiO2/Pt/ZrO2. Zgodnie z tym wynalazkiem, w reakcjach otrzymywania aniliny przez uwodornienie nitrobenzenu i utleniania tlenku węgla, opisany katalizator może być używany w sposób ciągły lub cykliczny przez ponad 20 cykli, a aktywność katalizatora zasadniczo pozostaje niezmieniona. Katalizator charakteryzuje się wysoką aktywnością, stabilnością, jak również możliwością powtórnego wykorzystania i łatwego odzysku. Dodatkowo, nadaje się on do wykorzystania w warunkach wysokotemperaturowych, dzięki ochronnemu efektowi mezoporowatej powłoki z dwutlenku cyrkonu.

Opracowanie nowych materiałów kompozytowych zawierających składniki dobrane tak, aby zapewnić odpowiednią funkcjonalność materiału jest bardzo pożądane w rozwijającej się dziedzinie techniki jaką jest inżynieria materiałowa. Celem niniejszego wynalazku jest skonstruowanie funkcjonalnych materiałów nowej generacji, przeznaczonych jednocześnie do zastosowań adsorpcyjnych, jak i katalitycznych w zakresie eliminacji LZO.

Przedmiotem wynalazku jest materiał kompozytowy w postaci cząstek stałych o budowie typu rdzeń-powłoka-faza aktywna, obejmujący rdzeń z materiału adsorpcyjnego, co najmniej jeden tlenek nieorganiczny oraz cząstki fazy aktywnej katalitycznie, charakteryzujący tym, że

- materiał adsorpcyjny stanowi porowaty węgiel,

- tlenek nieorganiczny stanowiący powłokę rdzenia i nośnik fazy aktywnej katalitycznie stanowi tlenek cyrkonu,

- faza aktywna katalitycznie złożona jest z nanocząstek lub ich aglomeratów na bazie metali lub tlenków metali wybranych z grupy obejmującej Pt, Co3O4, CuO. Korzystnie cząstki stałe materiału kompozytowego są kuliste. Korzystnie rdzeń węglowy stanowi mezoporowaty materiał węglowy o powierzchni właściwej z zakresu 306-514 m2/g i objętości porów z zakresu 0,24 do 0,61 cm3/g. Korzystnie materiał kompozytowy charakteryzuje się tym, że tlenek nieorganiczny jest porowaty. Korzystnie materiał kompozytowy charakteryzuje się tym, że fazę aktywną katalitycznie stanowią metale lub ich tlenki naniesione na otoczkę tlenkową oraz sama powłoka.

Korzystnie nanocząstki fazy aktywnej katalitycznie są osadzone na powierzchni tlenku nieorganicznego bez kontaktu z rdzeniem węglowym. Przedmiotem wynalazku jest również sposób otrzymywania materiału kompozytowego opisanego powyżej obejmujący następujące etapy:

a) otrzymywanie porowatych cząstek węglowych,

b) nanoszenie powłoki tlenkowej na rdzeń z porowatego materiału węglowego, c) osadzanie cząstek fazy aktywnej katalitycznie na powłoce tlenkowej.

Sposób otrzymywania materiału korzystnie charakteryzuje się tym, że etap a) przeprowadza się z wykorzystaniem odwzorowania sztywnych szablonów krzemionkowych, gdzie surowiec/prekursor węgla wprowadza się do matrycy krzemionkowej poprzez impregnację lub polimeryzację metodą in-situ.

Korzystnie prekursorem węgla są polimery uzyskane na drodze polimeryzacji in situ monomerów wybranych z grupy obejmującej alkohol furfurylowy, mieszaninę fenolu z formaldehydem, akrylonitryl.

Również korzystnie prekursorem są cukry wybrane z grupy sacharoza, glukoza, ksyloza.

Korzystnie sposób otrzymywania materiału kompozytowego charakteryzuje się tym, że szablony krzemionkowe są na bazie żelu krzemionkowego lub mezoporowatych materiałów krzemionkowych typu SBA-15, SBA-16, MCM-41 i MCM-48 o sferycznym kształcie cząstek.

Sposób otrzymywania materiału kompozytowego korzystnie charakteryzuje się tym, że prekursor węgla wprowadza się do systemu porów sferycznego materiału krzemionkowego dla uzyskania kompo

PL 240 269 B1 zytu polimerowo-krzemionkowego, który następnie jest poddawany karbonizacji w temperaturze z zakresu 600-1000°C w atmosferze gazu obojętnego jakim jest argon, azot lub hel dla otrzymania materiału węglowo-krzemionkowego, a następnie krzemionka usuwana jest z kompozytu węglowego poprzez trawienie roztworem NaOH o stężeniu w zakresie od 1 do 5 M lub roztworem HF o stężeniu w zakresie 1-10% w temperaturze z zakresu od 25 do 90°C.

Korzystnie sposób otrzymywania materiału kompozytowego charakteryzuje się tym, że usuwanie krzemionki przeprowadza się przed lub po osadzeniu powłoki z tlenku nieorganicznego.

Korzystnie powłoka tlenkowa w sposobie jest nanoszona w etapie b) poprzez hydrolizę i polikondensację alkoholanu metalu.

Korzystnie sposób otrzymywania materiału kompozytowego charakteryzuje się, tym że reakcję prowadzi się w roztworze alkoholu bezwodnego w obecności surfaktantu.

Korzystnie po etapie b) sposobu materiał jest suszony i karbonizowany w temperaturze z zakresu 600-1000°C w atmosferze gazu obojętnego w czasie od 1 do 48 h, podnosząc temperaturę z szybkością od 0,1 do 50°C/min.

Sposób otrzymywania materiału kompozytowego korzystnie charakteryzuje się tym, że nanocząstki fazy aktywnej katalitycznie w etapie c) nanosi się na warstwę tlenku nieorganicznego sposobem impregnacji z roztworu łatwo rozpuszczalnego związku wybranego metalu.

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie materiału kompozytowego opisanego powyżej do eliminacji lotnych związków organicznych na drodze adsorpcji w rdzeniu utworzonym z węgla porowatego i ich następczego katalitycznego utleniania poprzez fazę aktywną katalitycznie obecną w powłoce.

Korzystnie adsorpcja lotnych związków organicznych odbywa się w temperaturze w zakresie 20-100°C, a dopalanie katalityczne w temperaturze powyżej 150°C.

Korzystnie lotne związki organiczne są wybrane z grupy węglowodorów alifatycznych i aromatycznych.

Termin „materiał kompozytowy” oznacza materiał kompozytowy według wynalazku.

Termin „kompozyt polimerowo-krzemionkowy”, na potrzebę niniejszego opisu, dotyczy materiału złożonego ze szkieletu krzemionkowego i inkorporowanego w nim polimeru stanowiącego prekursor węgla, a „kompozyt węglowo-krzemionkowy” lub „materiał węglowo-krzemionkowy” stanowi kompozyt polimerowo-krzemionkowy po modyfikacji termicznej, w którym część polimerowa uległa karbonizacji.

Termin „replika węglowa” - oznacza materiał węglowy uzyskany poprzez usunięcie szablonu krzemionkowego z kompozytu węglowo-krzemionkowego.

Dla realizacji wynalazku można stosować środki dostępne komercyjnie, obejmujące między innymi materiały krzemionkowe typu SBA-15, SBA-16, MCM-41 i MCM-48, które mogą być wytworzone również zgodnie ze znanymi dla znawcy procedurami syntezy.

Jeśli nie zdefiniowano inaczej, wszystkie zawartości składników podane są w niniejszym opisie w procentach masowych (% mas).

Zatem opracowano nowy materiał kompozytowy, w obrębie którego połączono część węglową o charakterze porowatym, stanowiącą sferyczny rdzeń („core”), której zadaniem jest zapewnienie wysokiej pojemności sorpcyjnej wobec LZO w fazie adsorpcyjnej procesu (praca w temperaturze otoczenia). Poprzez zastosowanie różnych związków służących do eliminacji matrycy krzemionkowej z prekursora rdzenia katalizatora (w tym NaOH, HF), różnych stężeń roztworów tych związków oraz różnych warunków (temperatura, czas wytrawiania szablonu krzemionkowego) możliwa jest modyfikacja powierzchni rdzenia węglowego uformowanego w postać nano-mikrometrycznych kul, zapewniająca pożądane właściwości adsorpcyjne tej części materiału kompozytowego.

Obserwuje się, że w zależności od zastosowania materiału kompozytowego, np. do eliminacji konkretnej grupy związków LZO, pożądane są szczególne rodzaje modyfikacji powierzchni rdzenia węglowego:

- do eliminacji polarnych, jak i niepolarnych LZO korzystne jest zapewnienie obecności na powierzchni rdzenia węglowego ugrupowań o wysokiej hydrofilowości (tlenowe grupy funkcyjne), co uzyskuje się poprzez zastosowanie NaOH jako czynnika trawiącego matrycę krzemionkową,

- do eliminacji niepolarnych LZO, takich jak węglowodory alifatyczne i aromatyczne korzystne jest zapewnienie obecności na powierzchni rdzenia węglowego niskiej zawartości tlenowych grup funkcyjnych, co uzyskuje się poprzez zastosowanie HF podczas usuwania matrycy krzemionkowej.

PL 240 269 B1

W przeciwieństwie do innych materiałów typu rdzeń-powłoka, gdzie rdzeń jest na bazie węgla porowatego, wyżej opisana modyfikacja jest innowacyjna dla niniejszego materiału kompozytowego i niezmiernie istotna dla realizacji celu wynalazku, gdyż umożliwia kontrolę ilości powierzchniowych grup tlenowych odpowiadających za wysoką pojemność adsorpcyjną rdzenia węglowego względem par polarnych lotnych związków organicznych. Ponadto pozwala na dostosowanie właściwości materiału kompozytowego do eliminacji konkretnych grup związków LZO.

Nano-mikrometryczne kuliste ziarna węgla zostały otoczone cienką powłoką utworzoną z tlenku nieorganicznego („shell”), mającą za zadanie ochronę węglowego rdzenia podczas pracy materiału w trakcie katalitycznego dopalania LZO w cyklu desorpcyjnym (faza operacyjna prowadzona w podwyższonej temperaturze). Dodatkowo, w celu poprawy właściwości katalitycznych materiału, porowatą otoczkę nieorganiczną zmodyfikowano nanosząc na nią aktywną katalitycznie fazę w postaci nanometrycznych cząstek metalu (np. Pt, Pd, Rh, Re, Ir, Au) lub tlenku metalu przejściowego (np. CuO, CO3O4, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, CeO2, Fe2O3) lub mieszaniny wymienionych składników. Należy podkreślić, że faza aktywna katalitycznie obecna w materiale kompozytowym według wynalazku nie jest homogenicznie zdystrybuowana w całej objętości powłoki z tlenku nieorganicznego, a pozostaje zdeponowana głównie na jego powierzchni. Transport molekuł pomiędzy częścią wewnętrzną a zewnętrzną materiału jest możliwy dzięki zastosowaniu porowatego nośnika nieorganicznego z grupy ZrO2, AI2O3 TiO2, CeO2, w przeciwieństwie do materiałów kompozytowych ze stanu techniki, gdzie nośnik nieorganiczny jest lity/nieporowaty, wpływającego na zwiększenie stopnia dyspersji fazy aktywnej oraz pełniącego rolę separatora części węglowej i fazy aktywnej katalitycznie, których kontakt mógłby doprowadzić do stopniowej gazyfikacji adsorbentu.

Zaletami niniejszego wynalazku względem rozwiązań ujawnionych w stanie techniki są zatem:

- objęcie trzech rodzajów substancji o różnej charakterystyce jednym materiałem kompozytowym;

- uzyskanie wielofunkcyjności materiału poprzez odpowiednie dobranie jego składników, co można w uproszczeniu przedstawić następująco: rdzeń - adsorpcja; tlenek nieorganiczny

- nośnik i osłona przed dezaktywacją (gazyfikacją) rdzenia; faza aktywna - utlenianie zaadsorbowanych LZO;

- ograniczenie niekorzystnej deaktywacji rdzenia, który stanowi porowaty węgiel, poprzez modyfikację powierzchni jak opisano powyżej;

- ograniczenie przenikania cząstek fazy katalitycznej do warstwy tlenku nieorganicznego stanowiącego nośnik dla fazy aktywnej i dzięki temu dodatkowe ograniczenie niekorzystnej deaktywacji porowatego węgla, jak i uzyskanie wysokiej zdolności katalitycznej poprzez wyeksponowanie cząstek katalizatora;

- zastosowanie materiału do eliminacji lotnych związków organicznych w cyklach adsorpcyjno- katalitycznych, prowadzonych odpowiednio w niskich (20-100°C) i wysokich temperaturach (powyżej 150°C);

- możliwość kontroli rodzaju i ilości powierzchniowych grup funkcyjnych rdzenia węglowego pozwalająca na selektywną adsorpcję polarnych lub niepolarnych lotnych związków organicznych.

Wynalazek został zilustrowany za pomocą przykładów realizacji, które nie mają jednak na celu ograniczania zakresu ochrony. Dla znawcy w dziedzinie będzie oczywiste, że możliwe jest zastąpienie środków wskazanych w przykładach dla dostosowania warunków sposobu do uzyskania materiału obejmującego alternatywne warianty wynalazku obejmujące składniki wymienione w zastrzeżeniach patentowych.

Poniżej zaprezentowano opis figur, które są szczegółowo opisane w przykładach.

F ig. 1 ilustruje izotermy adsorpcji-desorpcji azotu dla materiału kompozytowego MCM-48/CMK-1@ZrO2 przed i po usunięciu szablonu krzemionkowego z zastosowaniem 1 M NaOH w 25°C (próbka CMK-1@ZrO2_1 M_25°C) oraz 3 M NaOH w 50°C (CMK-1@ZrO2_3M_50°C).

F ig. 2 ilustruje wyniki przeprowadzonych testów adsorpcyjnych, którym poddano repliki węglowe otrzymane w wyniku ekstrakcji szablonu strukturotwórczego za pomocą 5% HF oraz 1 M NaOH.

F ig. 3 ilustruje wyniki testów katalitycznych materiałów 1%Pt-CMK1@ZrO2 (Przykład 1) oraz materiałów 10%CuO-sC@ZrO2 i 10%Co3O4-sC@ZrO2 (Przykład 2). Sygnatury materiałów zostaną rozszyfrowane poniżej w sekcji przykłady.

P r z y k ł a d y

W przykładach zastosowano następujące oznaczenia dla konkretnych materiałów:

PL 240 269 B1

MCM-48/CMK-1@ZrO2 - kompozyt węglowo-krzemionkowy z rdzeniem węglowym o oznaczeniu CMK-1, krzemionką typu MCM-48 i warstwą tlenku cyrkonu,

CMK-1@ZrO2 - replika węglowa CMK-1 z naniesioną warstwą tlenku cyrkonu ZrO2, po usunięciu krzemionkowego szablonu strukturotwórczego z kompozytu MCM-48/CMK-1@ZrO2 (oznaczenie ogólnie używane bez podawania warunków usuwania matrycy krzemionkowej)

CMK-1@ZrO2_1M_25°C - replika węglowa CMK-1 z naniesioną warstwą tlenku cyrkonu ZrO2, po usunięciu krzemionkowego szablonu strukturotwórczego w temperaturze 25 C z wykorzystaniem 1 M NaOH

10%Co3O4 - sC@ZrO2 - replika węglowa otrzymana na bazie sferycznego żelu krzemionkowego z naniesioną warstwą tlenku cyrkonu ZrO2 oraz zdeponowaną fazą aktywną Co3O4 w ilości 10% mas.Co w stosunku do masy tlenku nieorganicznego (otoczki ZrO2).

sC - sferyczna replika węglowa otrzymana na bazie komercyjnego sferycznego żelu krzemionkowego. Inne, analogiczne oznaczenia powinny zostać odszyfrowane na podstawie powyższych oznaczeń.

P r z y k ł a d 1

Poniżej przedstawiono sposób otrzymania materiału kompozytowego według wynalazku.

Synteza sferycznego mezoporowatego materiału krzemionkowego typu MCM-48

Do kolby okrągłodennej o pojemności 500 mL wprowadzono 67,0 mL wody destylowanej, 105,0 mL metanolu (99,8%, Aldrich), 30,0 mL wody amoniakalnej (roztwór wodny 25%, POCH), 16,0 mL chlorku heksadecylotrimetyloamoniowego (roztwór wodny 25%, Aldrich). Roztwór mieszano mieszadłem magnetycznym (400 rpm) w temperaturze pokojowej przez 15 min. Następnie wkroplono 15,0 mL tetraetoksysilanu (TEOS, 98%, Aldrich) z szybkością dozowania ok. 2-3 kropli na sekundę ciągle mieszając. Po wkropleniu TEOS kontynuowano mieszanie przez 2 h. Uzyskaną zawiesinę odsączono na lejku Buchnera, przemywając wodą destylowaną (5 x 250 mL). Otrzymany produkt suszono przez noc w temperaturze 90°C, a następnie poddano kalcynacji w powietrzu w temperaturze 550 °C przez 6 h z narostem temperatury 1°C/min.

Synteza sferycznego kompozytu polimerowo-krzemionkowego na bazie krzemionki typu MCM-48 i jego modyfikacja termiczna

Kompozyt polimerowo-krzemionkowy otrzymano na drodze polikondensacji rozpuszczalnikowo-strąceniowej alkoholu furfurylowego (FA) w wodnej zawiesinie nośnika krzemionkowego MCM-48. Do kolby okrągłodennej o pojemności 250 mL, umieszczonej w łaźni olejowej na mieszadle magnetycznym z płytą grzejną, zaopatrzonej w termometr i chłodnicę zwrotną wprowadzono 100,0 mL wody destylowanej, 2,00 g mezoporowatej krzemionki oraz 2,5 g alkoholu furfurylowego. Powstałą zawiesinę mieszano przez 30 min (400 rpm), po czym dodano kwasowy katalizator polikondensacji (HCI, 35-38%, POCH) w ilości odpowiadającej stosunkowi molowemu FA:HCI = 1:6. Następnie mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury wrzenia i kontynuując mieszanie prowadzono reakcję polikondensacji przez 6 h. Produkt odsączono na lejku Buchnera, przemywając wodą destylowaną (3 x 100 mL) i suszono przez noc w temperaturze 90°C. Otrzymany kompozyt polimerowo-krzemionkowy umieszczono w łódce kwarcowej i poddano karbonizacji w piecu rurowym, stosując warunki izotermicznego wygrzewania przez 4 h w temperaturze 850°C (narost temperatury 1°C/min) w przepływie azotu (40 mL/min). W wyniku modyfikacji termicznej uzyskano kompozyt węglowo-krzemionkowy, stanowiący prekursor rdzenia finalnego katalizatora.

Nanoszenie warstwy ZrO2

Sferyczny kompozyt węglowo-krzemionkowy zdyspergowano w kolbie okrągłodennej o pojemności 250 mL zawierającej 100 g bezwodnego alkoholu etylowego. Następnie naczynie umieszczono na mieszadle magnetycznym i ogrzano do 30°C. Dodano 0,5 mL wodnego roztworu niejonowego surfaktantu Lutensol AO5 (3,76% mas.). Po godzinie wkroplono 1,8 mL butanolanu cyrkonu (80% mas. w butanolu) i prowadzono reakcję przez 15 godzin. W kolejnym etapie otrzymany materiał odwirowano i przemyto kilkukrotnie wodą destylowaną. Zsyntetyzowany półprodukt starzono w wodzie przez 3 doby w celu całkowitej hydrolizy substratu, po czym preparat odwirowano, wysuszono i wygrzano w przepływie gazu obojętnego przez 2 h w temperaturze 900 °C stosując narost temperatury 2°C/min.

Usuwanie krzemionki z kompozytu węglowo-krzemionkowego z ZrO2 (MCM-48/CMK-1@ZrO2)

Ekstrakcję rdzenia MCM-48 przeprowadzono przy użyciu zasady sodowej. W tym celu kompozyt węglowo-krzemionkowy MCM-48/CMK-1@ZrO2 podzielono na dwie równe porcje i zalano roztworem NaOH o stężeniu 1 oraz 3 M, a następnie układ podgrzano do temperatury odpowiednio 25 oraz 50°C. Po upływie

PL 240 269 B1 godzin osad odsączono, dokładnie przemyto wodą destylowaną w celu usunięcia kationów Na+ i wysuszono. Wyniki potwierdzają, iż usuwanie matrycy może być zrealizowane w różnych warunkach.

Rezultaty trawienia matrycy MCM-48 roztworem NaOH o stężeniu 1 lub 3 M w temperaturze odpowiednio 25 lub 50°C opisano w Przykładzie 3.

Nanoszenie fazy aktywnej Pt o rozmiarach nanometrycznych

Nanocząstki Pt otrzymano na drodze redukcji PtCI4 za pomocą NaOH w bezwodnym roztworze glikolu etylenowego. W tym celu 0,018 g PtCI4 rozpuszczono w roztworze zawierającym 0,016 g NaOH w 5 mL glikolu etylenowego. Po upływie 30 minut roztwór podgrzano do temperatury 160°C i utrzymywano przez kolejne 3 godziny, schładzając następnie do temperatury pokojowej. Otrzymane nanocząstki Pt naniesiono na powierzchnię otoczki nieorganicznej stosując 1 g nośnika węglowego z naniesionym tlenkiem cyrkonu CMK-1@ZrO2. W tym celu nośnik zalano otrzymanym roztworem i pozostawiono na mieszadle magnetycznym przez dobę. Następnie materiał przemyto wodą destylowaną i wysuszono.

P r z y k ‘ ł a d 2 1 1

Poniżej przedstawiono sposób otrzymania materiału kompozytowego według wynalazku.

Synteza sferycznego mezoporowatego materiału węglowego na bazie komercyjnej sferycznej krzemionki o cząstkach wielkości 40-75 μm

Do zsyntetyzowania sferycznych materiałów węglowych jako twardy szablon wykorzystano komercyjnie dostępną krzemionkę o kulistych ziarnach wielkości 40-75 μm (Sigma-Aldrich). W pierwszym etapie przygotowano roztwór cukru o niskim pH rozpuszczając 1,25 g sacharozy w 5,0 mL wody zakwaszonej 0,14 g stężonego kwasu siarkowego(VI). Uprzednio wysuszony (100°C, 1 h) żel krzemionkowy zaimpregnowano roztworem sacharozy stosując technikę impregnacji metodą pierwszej wilgotności. Tak zmodyfikowaną krzemionkę wygrzewano w atmosferze powietrza, wstępnie w temperaturze 100°C przez 6 h, a następnie przez 6 h w temperaturze 160°C. Gotowy preparat o brunatnym zabarwieniu zmielono delikatnie w moździerzu porcelanowym i ponownie poddano procedurze impregnacji. Uzyskany czarny materiał roztarto w moździerzu porcelanowym i umieszczono w piecu rurowym, wygrzewając przez 4 h w temperaturze 850°C z narostem temperatury 1°C/min w przepływie azotu (40 mL/min) w celu wytworzenia kompozytu węglowo-krzemionkowego. Z zsyntetyzowanego kompozytu węglowo-krzemionkowego, usunięto szablon krzemionkowy poprzez dwukrotne wymywanie 5% roztworem kwasu fluorowodorowego w temperaturze pokojowej, stosując 30 mL roztworu HF na 1 g kompozytu. Materiał węglowy, wyizolowano z roztworu poprzez sączenie na sączku karbowanym, przemyto wodą (3x100 mL) oraz etanolem (1x100 mL), aby usunąć nadmiar wody. Uzyskaną replikę wysuszono następnie w temperaturze 80°C przez 12 h.

Nanoszenie warstwy ZrO2

Sferyczny porowaty węgiel sC (0,5 g) zdyspergowano w 5 mL bezwodnego alkoholu etylowego. Zawiesinę umieszczono w kolbie okrągłodennej i dodano 0,1 mL wody destylowanej oraz surfaktant Brij 30 (0,1 mL). Kolbę umieszczono na mieszadle magnetycznym i jej zawartość mieszano przez 30 minut. Następnie wkroplono 0,2 mL butanolanu cyrkonu (80% mas. w butanolu). Reakcję hydrolizy prowadzono przez 8 godzin. Otrzymany materiał odwirowano i przemyto obficie wodą destylowaną. Wyizolowany produkt starzono w wodzie przez 12 godzin w temperaturze pokojowej w celu zapewnienia całkowitej kondensacji prekursora ZrO2. Po tym czasie preparat wysuszono w temperaturze 75°C przez 24 h i wygrzewano w przepływie gazu obojętnego przez 2 h w temperaturze 850°C stosując narost temperatury 2°C/min.

Nanoszenie fazy aktywnej przy użyciu impregnacji metodą pierwszej wilgotności

W pierwszym etapie wyznaczono pojemność sorpcyjną nośnika elementu aktywnego katalitycznie (w tym przypadku sC@ZrO2) względem wody. Przy użyciu pipety automatycznej wkraplano małymi porcjami (po 20 μL) wodę destylowaną do momentu pojawienia efektu zeszklenia. Pojemność sorpcyjna nośnika wyniosła 700 μL/g. W oparciu o tę wartość, impregnowano próbki 1 g nośnika objętością roztworów o stężeniach soli danego metalu (azotanu(V) miedzi(ll) lub azotanu(V) kobaltu(ll)) niezbędnych do wprowadzenia 2,5, 5,0, 7,5, 10,0 i 15,0% mas. Cu oraz Co w stosunku do masy tlenku cyrkonu. Po impregnacji materiały wysuszono, a następnie poddano kalcynacji w temperaturze 500°C w atmosferze powietrza z narostem temperatury 5°C/min i utrzymaniem zadanej temperatury przez 3 godziny.

P r z y k ł a d 3

Porównanie porowatości materiałów według wynalazku otrzymanych poprzez inny niż w Przykładzie 1 i 2 sposób usuwania krzemionkowego szablonu.

Proces ewolucji teksturalnej materiałów „core-shell” otrzymanych zgodnie z Przykładem 1 przebadano za pomocą niskotemperaturowej adsorpcji azotu. Skład chemiczny otrzymanych preparatów

PL 240 269 Β1 wyznaczono metodą XRF. Pomiary niskotemperaturowej sorpcji azotu przeprowadzono za pomocą sorptomatu ASAP 2020 (Micromeritics) stosując ok 200 mg próbki. Przed pomiarem materiały odgazowano w temperaturze 150°C przez 6 h. Analizy składu chemicznego wykonano w spektrometrze EDXRF Quant'x Arl firmy Thermo Scientific wyposażonym w źródło Rh. Każdorazowo stosowano ok 200 mg próbki umieszczonej w holderze na folii polipropylenowej.

Stabilność termiczną wytworzonych materiałów badano za pomocą termograwimetru SDT Q600 firmy TA Instruments. Eksperymenty wykonano dla ok. 10 mg próbki w przepływie powietrza (100 ml/min) w zakresie 30-100°C, stosując narost temperatury 20°C/min.

Na Fig. 1 zademonstrowano izotermy adsorpcji-desorpcji azotu dla materiału kompozytowego MCM-48/CMK-1@ZrO2 oraz po usunięciu krzemionkowego szablonu z zastosowaniem 1 M NaOH w 25°C (próbka CMK-1@ZrO2_1M_25°C) oraz 3 M NaOH w 50°C (CMK-1@ZrO2_3M_50°C).

Izotermy niskotemperaturowej sorpcji azotu oraz obliczone na ich podstawie parametry teksturalne obrazują wpływ warunków prowadzenia ekstrakcji szablonu strukturotwórczego (MCM-48) na porowatość uformowanych materiałów. Materiał wyjściowy MCM-48/CMK-1@ZrO2, wykazuje wysoką zawartość krzemionki tj. 48,3% (badania XRF). Ekstrakcja SiO2 w temperaturze 25°C, prowadzi do znacznej jej eliminacji, a co za tym idzie powoduje otwarcie struktury porowatej w badanym preparacie. Zwiększenie temperatury prowadzenia procesu do 50°C i stężenia roztworu NaOH do 3 M spowodowało dalszy wzrost porowatości. Efekt ten obserwuje się w przebiegu izoterm adsorpcji-desorpcji N2, poprzez znaczne zwiększenie objętości absorbowanej przy niskim ciśnieniu względnym p/po, co związane jest z pojawieniem się mikro- i mezoporów. Wartości Vmicro i Vmeso przedstawione w Tabeli 1 potwierdzają tę tezę. Powstawanie nowych porów wpływa na powierzchnię właściwą Sbet, która zwiększyła się z 306 do 514 m2/g dla materiału z najbardziej skutecznie usuniętym rdzeniem SiO2.

W Tabeli 1 zebrano wyznaczone parametry teksturalne oraz skład chemiczny materiałów w zależności od warunków prowadzenia ekstrakcji rdzenia SiO2.

Tabela 1. Wyniki charakteryzacji fizykochemicznej wybranych materiałów

Próbka TG XRF Niskotemperaturowa sorpcja N2 Zawartość organiki [%] SiO2 [%] ZrO2 [%] Sbet3 [m7g] Vcałkb km7g] V mikro1 [cm7g] V mezod [cm7g] V makro6 [cm7gl MCM-48/CMKl@ZrO2 25,0 48,3 26,7 306 0,24 0,06 0,13 0,06 CMKl@ZrO2_lM_25°C 50,4 13,3 36,3 421 0,60 0,06 0,40 0,14 CMKl@ZrO2_3M_50°C 53,4 8,5 38,1 514 0,61 0,10 0,40 0,11

a SBET - powierzchnia właściwa (BET| h VaiK- całkowita objętość porów (metodajednopunktowa) c Vmikra - objętość mikroporów (metoda t-Plot) dVmezo-objętość mezoporów (metoda BJH) e Ymata - objętość makroporów ((V,ota|- (Vneso + Vmicro))

Przykład 4

Porównanie właściwości adsorpcyjnych rdzeni węglowych materiału kompozytowego.

Synteza sferycznej repliki węglowej na bazie szerokoporowatego żelu krzemionkowego (rozmiar ziaren 40-75 pm oraz 75-200 pm) oraz wpływ sposobu usuwania templatu strukturotwórczego na właściwości absorpcyjne.

W porcelanowym tyglu umieszczono 5 g sferycznego żelu krzemionkowego, który poddano impregnacji metodą pierwszej wilgotności za pomocą stężonego kwasu siarkowego(VI), a następnie ogrzewano w piecu w temperaturze 150°C przez 3 h. Po ostygnięciu mieszaninę przeniesiono do zlewki zawierającej ok. 200 mL wody destylowanej i poddano sedymentacji w warunkach statycznych. Pozostały klarowny roztwór zdekantowano, osad zdyspergowano w nowej porcji wody destylowanej i sączono, przemywając wodą destylowaną, aż do pełnego zobojętnienia przesączu, a następnie suszono

PL 240 269 Β1 przez 2 h w temperaturze 120°C. Alkohol furfurylowy, będący prekursorem węgla, wprowadzono do systemu porów sulfonowanej krzemionki metodą impregnacji pierwszej wilgotności, po czym prowadzono polikondensację w warunkach statycznych w zamkniętym pojemniku w temperaturze 100°C przez 24 h. Powstały nanokompozyt polimerowo-krzemionkowy poddano karbonizacji w przepływie azotu (40 mL/min) w temperaturze 850°C przez 4 h, stosując narost temperatury 1°C/min.

Uzyskany materiał przed wytrawianiem krzemionki podzielono na dwie części, różniące się sposobem usuwania krzemionki. Templat nieorganiczny z pierwszej części wytrawiono za pomocą 5% wodnego roztworu kwasu fluorowodorowego. W tym celu materiał zdyspergowano w kwasie w ilości 30 mL/g i pozostawiono w warunkach statycznych przez 1 h. Drugą partię poddano wytrawianiu 1M roztworem NaOH. Podobnie jak w poprzednim przypadku użyto roztworu w ilości 30 mL/g. Trawienie prowadzono dwukrotnie w warunkach statycznych przez 24 h. Następnie otrzymane repliki węglowe przesączono na sączku karbowanym przemywając wodą destylowaną do zobojętnienia przesączu, a następnie etanolem (2 x 20 mL) i suszono przez noc w temperaturze 90°C.

Otrzymane materiały oznaczono jako s-CR_40-75_z oraz s-CR_75-200_z, gdzie: z - oznacza czynnik trawiący (HF lub NaOH).

Na Fig. 2 przedstawiono wyniki przeprowadzonych testów adsorpcyjnych, którym poddano repliki węglowe otrzymane w wyniku ekstrakcji szablonu strukturotwórczego za pomocą 5% HF oraz 1 M NaOH.

Otrzymane wyniki potwierdzają, że repliki węglowe, stanowiące rdzeń materiału kompozytowego opisanego w wynalazku odznaczają się wysokimi pojemnościami sorpcyjnymi względem wszystkich badanych przedstawicieli LZO. Dowiedziono, iż istotnym parametrem wpływającym na hydrofilowość powierzchni materiału węglowego jest dobór czynnika trawiącego matrycę krzemionkową. Zastosowanie roztworu zasady sodowej pozwala na uzyskanie materiału o wysokiej hydrofilowości, który wykazuje zbliżone powinowactwo zarówno do polarnych, jak i niepolarnych adsorbatów. Natomiast usunięcie szablonu przy użyciu kwasu fluorowodorowego skutkuje otrzymaniem materiału o niższej zawartości tlenowych grup powierzchniowych, co powoduje znaczne obniżenie jego hydrofilowości i w konsekwencji znacznie mniejsze powinowactwo do polarnych adsorbatów. Obniżeniu ulega również pojemność sorpcyjna liczona względem par toluenu, natomiast w przypadku n-heptanu odnotowano niewielki jej wzrost.

Przykład 5

Porównanie właściwości adsorpcyjno-desorpcyjnych rdzenia węglowego, rdzenia węglowego z otoczką ZrO2 i rdzenia węglowego z otoczką ZrO2 i Pt względem par toluenu.

Właściwości adsorpcyjne materiałów przebadano w procesie dynamicznej adsorpcji-desorpcji par toluenu, z detektorem w postaci spektrometru mas QMS. Strumień gazu nośnego (azot lub powietrze, 100 mL/min) nasycony parami toluenu (zawartość toluenu w gazie nośnym równa 0,1% obj.) był kierowany do reaktora przepływowego ze złożem stacjonarnym adsorbentu (50 mg). Reaktor utrzymywany był w temperaturze 68°C, w której prężność pary toluenu p/po = 0,25. Sorpcja była prowadzona przez 1,5 h od momentu otwarcia zaworu, po czym układ przełączano na tryb desorpcji (przepływ czystego gazu nośnego wynosił 100 mL/min).

Tabela 2. Wyniki testów dynamicznej adsorpcji-desorpcji par toluenu - formy zaadsorbowane fizycznie

Próbka Replika CMK-1 CMK-l/ZrO2 Pt-CMK-l/ZrO2 Pojemność [mg/g] Gaz nośny -azot 48,9 38,6 42,4 Gaz nośny - powietrze - 27,1 27,3

PL 240 269 B1

Description of the invention

The subject of the invention is a composite material in the form of solid particles having a core-shell-active phase structure, a method for obtaining such a composite material and its use for the elimination of volatile organic compounds.

The emission of volatile organic compounds (VOCs) to the atmosphere, both from natural and anthropogenic sources, is one of the most serious threats to the environment and human health. These substances, both directly and indirectly, interact with the components of the atmosphere, causing photochemical reactions, and often exhibit carcinogenic and mutagenic properties. The reduction of VOC emissions can be achieved by controlling industrial sources (including waste gases generated by paint factories, paint shops, pharmaceutical plants, bakeries, etc.) that produce nearly half of the total amount of VOC released by human activity. In addition to the primary methods aimed at reducing the level of emissions of organic compounds, a number of solutions have been developed consisting in catching (non-destructive techniques) or neutralizing (destructive techniques) VOC contained in the air. The most commonly used techniques are: thermal and catalytic oxidation, adsorption, condensation and membrane separation.

Adsorption of volatile organic compounds

Due to high efficiency, low operating costs of the necessary equipment and environmentally friendly nature, adsorption is the basic process of removing VOCs from low-emission sources. During the regeneration of used adsorbent, it is also possible to recover previously bound molecules and reuse them. Carbon materials based on activated carbon produced from fossil coal or biomass are the most widely used as VOC adsorbents. However, polymers (e.g. polyacrylonitrile, poly (vinyl chloride), poly (furfuryl alcohol), resole resins) are gaining more and more importance in the production of activated carbon. The advantage of using synthetic polymer raw materials is obtaining active carbons with a repeatable composition and low ash content. Activated carbons are obtained in the process of pyrolysis (carbonization) of the starting material carried out at high temperatures in an inert atmosphere with subsequent physical or chemical activation of the product obtained. The purpose of the first of these activation paths is to increase the porosity and specific surface area of activated carbon by removing non-carbon elements. The second method is used to generate appropriate surface properties. Water vapor or carbon dioxide is usually used for physical activation, while chemical activation is most often carried out in the presence of KOH, ZnCl2, or H3PO4. The activated carbons obtained in the above manner are microporous materials with a highly developed specific surface.

In recent years, intensive research has been carried out on porous carbon materials with spherical particles with diameters ranging from tens of nanometers to tens of micrometers, intended primarily for adsorptive, medical (drug carriers) and electrochemical (electrode materials) applications. These types of materials are mainly synthesized using: (i) the method of hydrothermal modification of saccharides and their copolymers (e.g. with phenol derivatives), (ii) the technique of mapping soft organic patterns, as well as (iii) the structural replication path of spherical silica materials. The synthesis of spherical carbon materials according to the first of these approaches consists in preliminary dehydration of the carbon precursor (e.g. glucose, xylose, fructose, xylose-phenol mixture) under hydrothermal conditions (140-210 ° C), optional activation (e.g. with KOH) followed by carbonization in the presence of an inert gas (e.g. argon or nitrogen) at temperatures in the range 600-1000 ° C. The materials obtained in this way have a specific surface area ranging from 13 (without activation) to approx. 1280 m 2 / g (after KOH activation), mainly due to the presence of irregularly arranged micropores [M. Li, W. Li, S. Liu, Hydrothermal synthesis, characterization, and KOH activation of carbon spheres from glucose, Carbohydrate Research 346 (2011) 999-1004; J. Ryu, Y.-W. Suh, DJ Suh, DJ Ahn, Hydrothermal preparation of carbon microspheres from mono-saccharides and phenolic compounds, Carbon 48 (2010) 1990-1998; Q. Wang, H. Li, L. Chen, X. Huang, Monodispersed hard carbon spherules with uniform nanopores, Carbon 39 (2001) 2211-2214].

In contrast to the above-described technique, solutions using organic or inorganic structure-forming templates allow for obtaining carbon materials with an ordered system of pores of a controlled size, including mesoporous systems. The advantage of mesoporous activated carbons, obtained by means of pattern mapping methods, is the considerable width

The presence of uniform pores (with a specific surface area comparable to that of conventional activated carbons), which eliminates diffusion limitations in adsorption or catalytic applications. In the soft-template method, the surfactants are mainly block copolymers (e.g. Pluronic F127, Pluronic P123) or alkylammonium halides, forming matrices made of micelles on / in which the carbon precursor polymerizes (most often phenol-formaldehyde resins) [M. Li, J. Xue, Ordered mesoporous carbon nanoparticles with wellcontrolled morphologies from sphere to rod via a soft-template route, Journal of Colloid and Interface Science 377 (2012) 169-175; J. Liu, T. Yang, D. -W. Wang, G. Qing (Max) Lu, D. Zhao, SZ Qiao, A facile soft-template synthesis of mesoporous polymeric and carbonaceous nanospheres, Nature Communications 4 (2013) 2798]. The spherical shape of the particles obtained is obtained by using an appropriate amount of surfactant or co-surfactant. The formed polymer is thermally modified in the presence of an inert gas at temperatures in the range 400-800 ° C. Carbon materials obtained by this technique show the presence of ordered mesopores and are characterized by a specific surface area of 460-1380 m2 / g.

The most frequently described technique for the synthesis of spherical grained coals in the scientific literature is the mapping of spherical silica templates (hard-template methods). A typical procedure for the synthesis of this type of carbon replica includes: (i) preparation of a mesoporous silica template with a spherical particle shape, (ii) deposition of the carbon precursor in the silica pore system, e.g. by impregnation, in situ polymerization or vapor deposition (CVD), ( iii) carbonization of the obtained material in an inert atmosphere at a temperature in the range of 800-1100 ° C to the form of a carbon-silica nanocomposite, and then (iv) removal of the silica template by etching with strong alkali (e.g. NaOH) or HF [M.-H. Kim, K.-B. Kim, SM. Park, KC Roh, Hierarchically structured activated carbon for ultracapacitors, Scientific Reports 6 (2016) 21182; M. Kim, SB Yoon, K. Sohn, JY Kim, C.-H. Shin, T. Hyeon, J.-S. Yu, Synthesis and characterization of spherical carbon and polymer capsules with hollow macroporous core and mesoporous shell structures, Microporous and Mesoporous Materials 63 (2003) 1-9; T.-W. Kim, P.-W. Chung, V S.-Y. Lin, Facile Synthesis of Monodisperse Spherical MCM-48 Mesoporous Silica Nanoparticles with Controlled Particle Size, Chemistry of. Materials 22 (2010) 5093-5104]. In this method, commercial spherical silica gels with disordered pore structure are often used as rigid matrices, as well as mesoporous ordered silica materials (e.g. SBA-15, SBA-16, MCM-41, MCM-48) formed by appropriate selection of surfactants to the form balls with a defined diameter. As carbon precursors, as in the previously discussed methods, resole resins, polyfuryl alcohol), polyacrylonitrile and disaccharides (e.g. sucrose) [Hl Melendez-Ortiz, LA Garcia-Cerda, Y. Olivares-Maldonado, G. Castruita, JA Mercado-Silva, YA Perera-Mercado, Preparation of spherical MCM-41 molecular sieve at room temperature: Influence of the synthesis conditions in the structural properties, Ceramics International 38 (2012) 6353-6358; T.-W. Kim, P.-W. Chung, V S.-Y. Lin, Facile Synthesis of Monodisperse Spherical MCM-48 Mesoporous Silica Nanoparticles with Controlled Particle Size, Chemistry of Materials 22 (2010) 5093-5104; MA Ballem, EM Johansson, JM Córdoba, M. Oden, Synthesis of hollow silica spheres SBA-16 with large-pore diameter, Materials Letters 65 (2011) 1066-1068; A. Katiyar, S. Yadav, PG Smirniotis, NG Pinto, Synthesis of ordered large pore SBA-15 spherical particles for adsorption of biomolecules, Journal of Chromatography A 1122 (2006) 13-20]. In order to improve the functional properties, the carbon materials obtained by the techniques described above can be subjected to subsequent physical or chemical activation, using methods analogous to those used for active carbons of natural origin, for example by partial gasification of the carbon material with a gas agent (e.g. steam, carbon dioxide). ), or chemical activation with a hydroxide solution (e.g. KOH, NaOH) or acid (e.g. H3PO4, HNO3).

Catalytic oxidation of volatile organic compounds

Apart from adsorption technologies, catalytic afterburning is a widely used method of removing VOCs from the gas phase. The catalysts used in this process usually contain small amounts of noble metals (eg Pt, Pd, Au or Rh), which as an active phase are characterized by very high efficiency, thermal stability and selectivity in obtaining the desired reaction products (mainly H2O and CO2). Due to the high production costs and susceptibility to poisoning, however, intensive research is carried out to find alternative catalytically active materials in the process of burning VOCs. An example of such systems are catalysts containing transition metal oxides and their mixtures (e.g. CuO, CosO4, MnO2, Fe2O3, CeO2), characterized by high resistance to poisoning (including compounds containing

Sulfur) and lower production costs compared to catalysts based on noble metals. Due to the beneficial effect of the expansion of the specific surface area on the activity of the catalyst, the active phase is applied to a support with appropriately selected porosity, and thus exposed surface (e.g. y-AbOs, TiO2, ZrO2, zeolites, natural aluminosilicates, porous silica gel) [R. Arroyo, G. Cordoba, J. Padilla, VH Lara, Influence of manganese ions on the anatase - rutile phase transition of TiO2 prepared by the sol-gel process. Materials Letters 54 (2002) 397-402; MR Moreles, BP Barbera, T. Lopez, LE Cadus, H. Moreng: Evoluantion and characterization of Mn-Cu mixed oxide catalyst supported on TiO2 and ZrO2 for ethanol total oxidation. Fuel 88 (2009) 2120-2129, A. Szegedi, M. Popova, K. Lazar, S. Klebert, E. Drotar, Impact of silica structure of copper and iron-containing SBA-15 and SBA-16 materials on toluene oxidation , Microporous and Mesoporous Materials 177 (2013) 97-104; A. Rokicińska, P. Natkański, B. Dudek, M. Drozdek, L. Litynska-Dobrzyńska, P. Kuśtrowski, Co3O4-pillared montmorillonite catalysts synthesized by hydrogel-assisted route for total oxidation of toluene, Applied Catalysis B: Environmental 195 ( 2016) 59-68]. It has been shown that the oxide systems deposited on the ZrO2 substrate with a tetragonal structure are distinguished by higher activity in total VOC oxidation than catalysts deposited on alumina, which is caused by the greater reactivity of oxygen present in the ZrO2 structure. In order to improve the catalytic properties, the supported materials are additionally modified with transition or noble metals [H.-J. Sedjame, C. Fontaine, G. Lafaye, J. Barbier Jr, On the promoting effect of the addition of ceria to platinum based alumina catalysts for VOCs oxidation, Applied Catalysis B: Environmental 144 (2014) 233-242; JC Rooke, T. Barakat, M. Franco Finol, P. Billemont, G. De Weireld, Y. Lie, R. Cousin, J.-M. Giraudon, S. Siffert, J.-F. Lamonier, BL Su, Influence of hierarchically porous niobium doped TiO2 supports in the total catalytic oxidation of model VOCs over noble metal nanoparticles, Applied Catalysis B: Environmental 142-143 (2013) 149-160].

The literature describes examples of successful syntheses of spherical materials based on ZrO2, in which this component forms the core of the sphere ("core") or the shell ("shell"). In the first case, spherical porous zircon (IV) oxide particles are synthesized by the hydrothermal, sol-gel method or by mapping soft and hard structure-forming patterns [Y. Chang, C. Wang, T. Liang, C. Zhao, X. Luo, T. Guo, J. Gong, H. Wu, Solegel Synthesis of Mesoporous Spherical Zirconia, RSC Advances 5 (2015) 104629-104634]. On the other hand, to create spherical ZrO2 envelopes, the so-called shell materials, it is necessary to use a spherical core on the surface of which a layer of the ZrO2 precursor is deposited, e.g. by hydrolysis of zirconium or zirconium chloride alkoxides [H. Zhang, Z.-T. An, Q. Tang, W.-C. Li, Optimization design of novel spray reaction synthesis of mesoporous c-ZrO2 spherical particles, Journal of Computer-Aided Materials Design 14 (2007) 309-316]. Depending on the material used, the core may be removed by calcination (for polymer particles) or etching (for silica core) [Y. Jiang, S. Yang, X. Ding, Y. Guo, H. Bala, J. Zhao, K. Yu, Z. Wang, Synthesis and catalytic activity of stable hollow ZrO2-SiO2 spheres with mesopores in the shell wall, Journal of Materials Chemistry 15 (2005) 2041-2046; J. Yin, X. Qian, J. Yin, M. Shi, J. Zhang, G. Zhou, Preparation of polystyrene / zirconia core-shell microspheres and zirconia hollow shells, Inorganic Chemistry Communications 6 (2003) 942-945].

Composite materials with a core-shell structure are known from the patent literature, also with regard to the adsorption-catalytic function in the elimination of volatile organic compounds. For example, international application WO16069856A1 discloses non-noble metal catalysts for the removal of ozone, volatile organic compounds and other contaminants from an air stream. The catalyst comprises a shell, a solid support located inside the shell, and a catalyst layer located on the support. The catalyst layer comprises a first catalytically active base metal component, a second base metal component and a support material impregnated with at least one of these components. A preferred catalyst composition is a combination of manganese oxide and copper oxide.

WO09157434A1 describes a method of purifying an exhaust gas containing carbon dioxide by afterburning VOC and sulfur compounds in the presence of a catalyst containing one or more metal oxides selected from the group consisting of zirconium oxide, titanium oxide and silicon oxide and one or more noble metals selected from the group consisting of platinum, palladium and iridium.

PL 240 269 B1

US patent application US2015057149A discloses catalysts and methods for the preparation of catalysts for the oxidation of CO and / or volatile organic compounds. In one embodiment, the catalyst comprises a reduced noble metal metal in an amount greater than 30 wt%, and the catalyst oxidizes volatile organic compounds and / or CO at a temperature of 150 ° C or less. In another embodiment, there is disclosed a catalyst for the oxidation of formaldehyde, methanol, formic acid, and / or CO at a temperature of from about 20 ° C to about 45 ° C at atmospheric pressure, the catalyst comprising a reduced noble metal dispersed on a support selected from the group of consisting of CeO2, TO2, ZrO2, Al2O3, SO2 and combinations thereof.

The solution described in the Chinese patent CN103480369B concerns a composite catalyst with nanometric platinum, its preparation and application. Many active sites of the catalyst formed by the Pt nanoparticles are deposited on the support in the form of SO2 to form the SiO2 / Pt core structure. The outer surface of the SiO2 / Pt core is covered with a mesoporous zirconium dioxide layer, forming a core-shell SiO2 / Pt / ZrO2 structure. According to this invention, in the reactions of producing aniline by hydrogenation of nitrobenzene and oxidation of carbon monoxide, the described catalyst can be used continuously or cyclically for more than 20 cycles, and the activity of the catalyst remains essentially unchanged. The catalyst is characterized by high activity, stability, as well as the possibility of reuse and easy recovery. Additionally, it is suitable for use in high-temperature conditions thanks to the protective effect of the mesoporous zirconium dioxide coating.

The development of new composite materials containing components selected to ensure the appropriate functionality of the material is very desirable in the emerging technical field of materials engineering. The aim of the present invention is to construct functional materials of a new generation, intended both for adsorption and catalytic applications in the field of VOC elimination.

The present invention relates to a particulate composite material having a core-shell-active phase structure comprising a core of adsorptive material, at least one inorganic oxide and particles of a catalytically active phase, characterized in that

- the adsorption material is porous carbon,

- the inorganic oxide constituting the core coating and the catalytically active phase carrier is zirconium oxide,

- the catalytically active phase consists of nanoparticles or their agglomerates based on metals or metal oxides selected from the group consisting of Pt, Co3O4, CuO. Preferably, the solid particles of the composite material are spherical. Preferably, the carbon core is a mesoporous carbon material with a surface area in the range 306-514 m2 / g and a pore volume in the range 0.24 to 0.61 cm3 / g. Preferably, the composite material is characterized in that the inorganic oxide is porous. Preferably, the composite material is characterized in that the catalytically active phase consists of metals or their oxides deposited on the oxide shell and the coating itself.

Preferably, the catalytically active phase nanoparticles are deposited on the surface of the inorganic oxide without contacting the carbon core. The invention also relates to a method for obtaining the composite material described above, comprising the following steps:

a) obtaining porous carbon particles,

b) applying an oxide coating to the core of porous carbon material, c) depositing particles of the catalytically active phase on the oxide coating.

The method of obtaining the material is preferably characterized in that step a) is carried out using rigid silica pattern mapping, where the carbon feedstock / precursor is introduced into the silica matrix by impregnation or in-situ polymerization.

Preferably, the carbon precursor is polymers obtained by in situ polymerization of monomers selected from the group consisting of furfuryl alcohol, phenol-formaldehyde mixture, acrylonitrile.

Also preferably the precursor are sugars selected from the group of sucrose, glucose, xylose.

Preferably, the method for obtaining the composite material is characterized in that the silica templates are based on silica gel or mesoporous silica materials of the type SBA-15, SBA-16, MCM-41 and MCM-48 with spherical particle shape.

The method for obtaining the composite material is preferably characterized in that a carbon precursor is introduced into the pore system of the spherical silica material to obtain a composite material.

Polymer-silica oxide, which is then carbonized at a temperature in the range of 600-1000 ° C in an inert gas such as argon, nitrogen or helium to obtain a carbon-silica material, and then the silica is removed from the carbon composite by etching with a NaOH solution with a concentration ranging from 1 to 5 M or a HF solution with a concentration ranging from 1-10% at a temperature ranging from 25 to 90 ° C.

Preferably, the method for obtaining the composite material is characterized in that the removal of the silica is carried out before or after the deposition of the inorganic oxide coating.

Preferably, the oxide coating in the process is applied in step b) by hydrolysis and polycondensation of the metal alkoxide.

Preferably, the method for obtaining the composite material is characterized in that the reaction is carried out in an anhydrous alcohol solution in the presence of a surfactant.

Preferably, after process step b), the material is dried and carbonized at a temperature in the range 600-1000 ° C in an inert gas atmosphere for 1 to 48 hours, increasing the temperature at a rate of 0.1 to 50 ° C / min.

The method for obtaining the composite material is preferably characterized in that the nanoparticles of the catalytically active phase in step c) are applied to the inorganic oxide layer by the impregnation method from a solution of a readily soluble compound of the selected metal.

The invention also relates to the use of the composite material described above for the elimination of volatile organic compounds by adsorption in a core made of porous carbon and their subsequent catalytic oxidation through the catalytically active phase present in the coating.

Preferably, the volatile organic compounds adsorption takes place at a temperature in the range of 20-100 ° C, and the catalytic afterburning at a temperature above 150 ° C.

Preferably, the volatile organic compounds are selected from the group of aliphatic and aromatic hydrocarbons.

The term "composite material" means the composite material according to the invention.

The term "polymer-silica composite", for the purposes of this description, refers to a material composed of a silica skeleton and a carbon precursor polymer incorporated therein, and a "carbon-silica composite" or "carbon-silica material" is a polymer-silica composite after thermal modification. in which the polymer part has been carbonized.

The term "carbon replica" means carbon material obtained by removing a silica template from a carbon-silica composite.

Commercially available agents can be used to practice the invention, including, but not limited to, silica materials of the types SBA-15, SBA-16, MCM-41 and MCM-48, which can also be prepared according to synthetic procedures known to those skilled in the art.

Unless otherwise defined, all ingredient levels are given in this specification as percentage by weight (wt%).

Therefore, a new composite material was developed, in which a porous carbon part was connected, constituting a spherical core ("core"), the task of which is to ensure high sorption capacity against VOC in the adsorption phase of the process (operation at ambient temperature). By using various compounds to eliminate the silica matrix from the catalyst core precursor (including NaOH, HF), different concentrations of these compounds and different conditions (temperature, etching time of the silica template), it is possible to modify the surface of the carbon core formed in the form of nano-micrometric spheres providing the desired adsorption properties for that part of the composite material.

It is observed that depending on the application of the composite material, e.g. for the elimination of a specific group of VOC compounds, specific types of carbon core surface modification are desirable:

- for the elimination of polar and non-polar VOCs, it is advantageous to ensure the presence of highly hydrophilic groups (oxygen functional groups) on the surface of the carbon core, which is achieved by using NaOH as an etching agent for the silica matrix,

for the elimination of non-polar VOCs such as aliphatic and aromatic hydrocarbons, it is preferable to ensure the presence of a low content of oxygen functional groups on the surface of the carbon core, which is achieved by the use of HF during the removal of the silica matrix.

PL 240 269 B1

Contrary to other core-shell materials, where the core is based on porous carbon, the above-described modification is innovative for the present composite material and extremely important for the purpose of the invention, as it allows to control the amount of surface oxygen groups responsible for the high adsorption capacity of the carbon core in relation to polar pairs of volatile organic compounds. In addition, it allows you to adjust the properties of the composite material to eliminate specific groups of VOC compounds.

The nano-micrometric spherical carbon grains were surrounded by a thin layer of inorganic oxide ("shell"), which was to protect the carbon core during the work of the material during the catalytic afterburning of VOC in the desorption cycle (operating phase at elevated temperature). Additionally, in order to improve the catalytic properties of the material, the porous inorganic shell was modified by applying to it a catalytically active phase in the form of nanometric metal particles (e.g. Pt, Pd, Rh, Re, Ir, Au) or a transition metal oxide (e.g. CuO, CO3O4, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, CeO2, Fe2O3) or mixtures of the listed components. It should be emphasized that the catalytically active phase present in the composite material according to the invention is not homogeneously distributed throughout the entire volume of the inorganic oxide coating, but remains mainly deposited on its surface. The transport of molecules between the internal and external part of the material is possible thanks to the use of a porous inorganic support from the group of ZrO2, Al2O3, TiO2, CeO2, in contrast to composite materials from the state of the art, where the inorganic support is solid / non-porous, increasing the degree of dispersion of the active and filling phase the role of a separator of the carbon part and the catalytically active phase, the contact of which could lead to gradual gasification of the adsorbent.

The advantages of the present invention over the solutions disclosed in the prior art are therefore:

- covering three types of substances with different characteristics in one composite material;

- obtaining the multifunctionality of the material through appropriate selection of its components, which can be simplified as follows: core - adsorption; inorganic oxide

- support and shield against inactivation (gasification) of the core; active phase - oxidation of adsorbed VOCs;

- reducing the disadvantageous deactivation of the porous carbon core by surface modification as described above;

- limiting the penetration of the catalytic phase particles into the inorganic oxide layer supporting the active phase and thus further limiting the unfavorable deactivation of the porous carbon and obtaining a high catalytic capacity by exposing the catalyst particles;

- use of the material for the elimination of volatile organic compounds in adsorption-catalytic cycles, carried out at low (20-100 ° C) and high temperatures (above 150 ° C), respectively;

- the ability to control the type and amount of surface functional groups of the carbon core, allowing for selective adsorption of polar or non-polar volatile organic compounds.

The invention has been illustrated by means of embodiments which, however, are not intended to limit the scope of protection. It will be apparent to those skilled in the art that it is possible to substitute the measures indicated in the examples to adapt the process conditions to obtain a material comprising alternative embodiments of the invention including the components listed in the claims.

The following is a description of the figures that are described in detail in the examples.

F ig. 1 illustrates nitrogen adsorption-desorption isotherms for the MCM-48 / CMK-1 @ ZrO2 composite material before and after removal of the silica template with 1 M NaOH at 25 ° C (CMK-1 @ ZrO2_1 M_25 ° C sample) and 3 M NaOH in 50 ° C (CMK-1 @ ZrO2_3M_50 ° C).

F ig. 2 illustrates the results of the adsorption tests carried out on carbon replicas obtained by extracting the structure-forming template with 5% HF and 1 M NaOH.

F ig. 3 illustrates the results of catalytic tests of 1% Pt-CMK1 @ ZrO2 materials (Example 1) and 10% CuO-sC @ ZrO2 and 10% Co3O4-sC @ ZrO2 materials (Example 2). The signatures of the materials will be deciphered in the examples section below.

Examples

The examples use the following designations for specific materials:

PL 240 269 B1

MCM-48 / CMK-1 @ ZrO2 - carbon-silica composite with a carbon core designated CMK-1, MCM-48 silica and a layer of zirconium oxide,

CMK-1 @ ZrO2 - CMK-1 carbon replica with a layer of ZrO2 zirconium oxide, after removing the silica structure-forming template from the MCM-48 / CMK-1 @ ZrO2 composite (marking generally used without specifying the conditions for removing the silica matrix)

CMK-1 @ ZrO2_1M_25 ° C - CMK-1 carbon replica with a layer of ZrO2 zirconium oxide, after removing the silica structure-forming template at 25 C using 1 M NaOH

10% Co3O4 - sC @ ZrO2 - carbon replica made on the basis of spherical silica gel with a layer of ZrO2 zirconium oxide and deposited active phase Co3O4 in the amount of 10% by weight Co in relation to the mass of inorganic oxide (ZrO2 envelope).

sC - spherical carbon replica obtained on the basis of commercial spherical silica gel. Other, analogous markings should be deciphered on the basis of the above markings.

Example 1

The method of obtaining the composite material according to the invention is presented below.

Synthesis of MCM-48 spherical mesoporous silica material

67.0 mL of distilled water, 105.0 mL of methanol (99.8%, Aldrich), 30.0 mL of ammonia water (25% aqueous solution, POCH), 16.0 mL of hexadecyltrimethylammonium chloride were introduced into a 500 mL round bottom flask. (25% aqueous solution, Aldrich). The solution was stirred with a magnetic stirrer (400 rpm) at room temperature for 15 min. Then 15.0 mL of tetraethoxysilane (TEOS, 98%, Aldrich) was added dropwise at a dosing rate of approx. 2-3 drops per second while stirring continuously. After dropwise addition of TEOS, stirring was continued for 2 h. The resulting suspension was filtered on a Buchner funnel, washing with distilled water (5 x 250 mL). The obtained product was dried overnight at 90 ° C, and then calcined in air at 550 ° C for 6 hours with a temperature increase of 1 ° C / min.

Synthesis of MCM-48 silica-based spherical polymer-silica composite and its thermal modification

The polymer-silica composite was prepared by solvent-precipitation polycondensation of furfuryl alcohol (FA) in an aqueous suspension of MCM-48 silica support. 100.0 mL of distilled water, 2.00 g of mesoporous silica and 2.5 g of furfuryl alcohol were introduced into a 250 mL round-bottom flask placed in an oil bath on a magnetic stirrer with a heating plate, equipped with a thermometer and reflux condenser. The resulting slurry was stirred for 30 min (400 rpm) after which an acidic polycondensation catalyst (HCl, 35-38%, POCH) was added in an amount corresponding to a molar ratio FA: HCl = 1: 6. The reaction mixture was then heated to reflux and continued with stirring polycondensation was carried out for 6 h. The product was filtered on a Buchner funnel, washing with distilled water (3 x 100 mL) and dried overnight at 90 ° C. The obtained polymer-silica composite was placed in a quartz boat and subjected to carbonization in a tube furnace using isothermal annealing conditions for 4 hours at 850 ° C (temperature increase 1 ° C / min) under nitrogen flow (40 mL / min). As a result of thermal modification, a carbon-silica composite was obtained, which was the precursor to the core of the final catalyst.

Application of the ZrO2 layer

The spherical carbon-silica composite was dispersed in a 250 mL round bottom flask containing 100 g of anhydrous ethyl alcohol. The vessel was then placed on a magnetic stirrer and heated to 30 ° C. 0.5 mL of an aqueous solution of Lutensol AO5 non-ionic surfactant (3.76 wt.%) Was added. After an hour, 1.8 mL of zirconium butoxide (80 wt% in butanol) was added dropwise and the reaction was carried out for 15 hours. In the next stage, the material obtained was centrifuged and washed several times with distilled water. The synthesized intermediate was aged in water for 3 days in order to completely hydrolyze the substrate, then the preparation was centrifuged, dried and heated in an inert gas flow for 2 h at 900 ° C with a temperature increase of 2 ° C / min.

Silica removal from carbon-silica composite with ZrO2 (MCM-48 / CMK-1 @ ZrO2)

Extraction of the MCM-48 core was performed using sodium base. For this purpose, the carbon-silica MCM-48 / CMK-1 @ ZrO2 composite was divided into two equal portions and flooded with 1 and 3 M NaOH solution, and then the system was heated to 25 and 50 ° C, respectively. After

After 2 hours, the precipitate was filtered off, washed thoroughly with distilled water to remove Na + cations and dried. The results confirm that matrix removal can be accomplished under various conditions.

The results of digestion of the MCM-48 matrix with 1 or 3 M NaOH solution at 25 or 50 ° C, respectively, are described in Example 3.

Application of the active phase Pt with nanometric dimensions

Pt nanoparticles were obtained by reducing PtCl4 with NaOH in anhydrous ethylene glycol solution. For this purpose, 0.018 g of PtCl4 was dissolved in a solution containing 0.016 g of NaOH in 5 mL of ethylene glycol. After 30 minutes, the solution was heated to 160 ° C and held for a further 3 hours, then cooled to room temperature. The obtained Pt nanoparticles were applied to the surface of the inorganic shell using 1 g of a carbon carrier with CMK-1 @ ZrO2 zirconium oxide. For this purpose, the support was poured with the solution obtained and left on a magnetic stirrer for overnight. The material was then washed with distilled water and dried.

Example 2 1 1

The method of obtaining the composite material according to the invention is presented below.

Synthesis of spherical mesoporous carbon material based on commercial spherical silica with a particle size of 40-75 μm

Commercial silica with 40-75 μm spherical grain size (Sigma-Aldrich) was used as a hard template to synthesize the spherical carbon materials. In the first step, a low pH sugar solution was prepared by dissolving 1.25 g of sucrose in 5.0 mL of water acidified with 0.14 g of concentrated sulfuric acid (VI). A previously dried (100 ° C, 1 h) silica gel was impregnated with a sucrose solution using the incipient wetness technique. The thus modified silica was baked in an air atmosphere, initially at 100 ° C for 6 h, and then for 6 h at 160 ° C. The finished brown-colored preparation was gently ground in a porcelain mortar and subjected to the impregnation procedure again. The black material obtained was ground in a porcelain mortar and placed in a tube furnace, annealing for 4 h at 850 ° C with a temperature ramp of 1 ° C / min under nitrogen flow (40 mL / min) to produce a carbon-silica composite. From the synthesized carbon-silica composite, the silica template was removed by washing twice with 5% hydrofluoric acid solution at room temperature, using 30 mL of HF solution per 1 g of composite. Carbon material, isolated from the solution by filtration through a fluted filter, washed with water (3 × 100 mL) and ethanol (1 × 100 mL) to remove excess water. The obtained replica was then dried at the temperature of 80 ° C for 12 h.

Application of the ZrO2 layer

Spherical porous sC carbon (0.5 g) was dispersed in 5 mL of anhydrous ethyl alcohol. The suspension was placed in a round bottom flask and 0.1 mL of distilled water and Brij 30 surfactant (0.1 mL) were added. The flask was placed on a magnetic stirrer and its contents stirred for 30 minutes. Then 0.2 mL of zirconium butoxide (80 wt% in butanol) was added dropwise. The hydrolysis reaction was carried out for 8 hours. The material obtained was centrifuged and washed copiously with distilled water. The isolated product was aged in water for 12 hours at room temperature to ensure complete condensation of the ZrO2 precursor. After this time, the preparation was dried at a temperature of 75 ° C for 24 h and annealed in a flow of inert gas for 2 h at a temperature of 850 ° C with a temperature increase of 2 ° C / min.

Application of the active phase using incipient wetness impregnation

In the first step, the sorption capacity of the catalytically active element carrier (in this case sC @ ZrO2) in relation to water was determined. Using an automatic pipette, distilled water was dropped in small portions (20 μL each) until the glass transition appeared. The sorption capacity of the carrier was 700 μL / g. Based on this value, samples of 1 g of the carrier were impregnated with a volume of solutions with the concentrations of a given metal salt (copper (II) nitrate (V) or cobalt (II) nitrate (V)) necessary to introduce 2.5, 5.0, 7, % 5, 10.0 and 15.0 wt. Cu and Co in relation to the weight of the zirconium oxide. After impregnation, the materials were dried and then calcined at a temperature of 500 ° C in an air atmosphere with a temperature increase of 5 ° C / min and maintaining the set temperature for 3 hours.

Example 3

Comparison of the porosity of the materials according to the invention obtained by a method of removing a silica template other than in Examples 1 and 2.

The process of the textural evolution of the core-shell materials obtained according to Example 1 was tested by low-temperature nitrogen adsorption. Chemical composition of the obtained preparations

PL 240 269 Β1 was determined by the XRF method. Measurements of low-temperature nitrogen sorption were carried out using the ASAP 2020 sorptomat (Micromeritics) using about 200 mg of the sample. Before the measurement, the materials were degassed at 150 ° C for 6 h. Chemical composition analyzes were performed on a Thermo Scientific EDXRF Quant'x Arl spectrometer equipped with a Rh source. About 200 mg of the sample was used each time, placed in a holder on a polypropylene film.

The thermal stability of the manufactured materials was tested using the TA Instruments SDT Q600 thermogravimeter. The experiments were performed for approx. 10 mg of the sample in the air flow (100 ml / min) in the range of 30-100 ° C, with the temperature increase of 20 ° C / min.

Fig. 1 demonstrates nitrogen adsorption-desorption isotherms for the MCM-48 / CMK-1 @ ZrO2 composite material and after removal of the silica template with 1 M NaOH at 25 ° C (CMK-1 @ ZrO 2 _1M_25 ° C sample) and 3 M NaOH at 50 ° C (CMK-1 @ ZrO 2 _3M_50 ° C).

Low-temperature nitrogen sorption isotherms and the textural parameters calculated on their basis illustrate the influence of the conditions of extraction of the structure-forming template (MCM-48) on the porosity of the formed materials. The starting material MCM-48 / CMK-1 @ ZrO 2 shows a high silica content, i.e. 48.3% (XRF tests). Extraction of SiO 2 at a temperature of 25 ° C leads to its significant elimination, and thus opens the porous structure in the tested preparation. Increasing the temperature of the process to 50 ° C and the concentration of NaOH solution to 3 M caused a further increase in porosity. This effect is observed in the course of N 2 adsorption-desorption isotherms, by a significant increase in the volume absorbed at low relative pressure p / po, which is related to the appearance of micro- and mesopores. The values of Vmicro and Vmeso presented in Table 1 support this thesis. The formation of new pores affects the specific surface area of the Sbet, which increased from 306 to 514 m2 / g for the material with the SiO 2 core removed most efficiently .

Table 1 summarizes the determined textural parameters and the chemical composition of the materials depending on the conditions for the extraction of the SiO 2 core.

Table 1. Results of physicochemical characterization of selected materials

A sample TG XRF Low-temperature N 2 sorption Organic content [%] SiO 2 [%] ZrO 2 [%] Sbet 3 [m7g] Vtotal b km7g] V micro 1 [cm7g] V meso d [cm7g] V macro 6 [cm7gl MCM-48 / CMKl @ ZrO 2 25.0 48.3 26.7 306 0.24 0.06 0.13 0.06 CMKl @ ZrO 2 _lM_25 ° C 50.4 13.3 36.3 421 0.60 0.06 0.40 0.14 CMKl @ ZrO 2 _3M_50 ° C 53.4 8.5 38.1 514 0.61 0.10 0.40 0.11

a S BET - specific surface area (BET | h V a iK - total pore volume (single point method) c V micro - micropore volume (t-Plot method) d V mesopore volume (BJH method) e Ymata - macropore volume ((V , ota | - (V neso + V micro ))

Example 4

Comparison of the adsorption properties of the carbon cores of the composite material.

Synthesis of a spherical carbon replica based on a wide porous silica gel (grain size 40-75 µm and 75-200 µm) and the influence of the method of removing the structure forming pattern on the absorption properties.

5 g of spherical silica gel was placed in a porcelain crucible, which was impregnated with the incipient wetness method with concentrated sulfuric acid (VI), and then heated in an oven at 150 ° C for 3 hours. After cooling, the mixture was transferred to a beaker containing approx. 200 mL distilled water and sedimented under static conditions. The remaining clear solution was decanted, the precipitate was dispersed in a new portion of distilled water and filtered, washing with distilled water until the filtrate was completely neutralized, and then dried.

PL 240 269 Β1 for 2 h at 120 ° C. Furfuryl alcohol, being a carbon precursor, was introduced into the pore system of sulfonated silica by incipient moisture impregnation, followed by static polycondensation in a closed container at a temperature of 100 ° C for 24 hours. The resulting polymer-silica nanocomposite was carbonated under nitrogen flow (40 mL / min) at the temperature of 850 ° C for 4 hours with a temperature increase of 1 ° C / min.

Before etching the silica, the obtained material was divided into two parts, which differed in the method of removing the silica. The inorganic pattern from the first part was etched with a 5% aqueous hydrofluoric acid solution. For this, the material was dispersed in acid in an amount of 30 mL / g and left under static conditions for 1 h. The second batch was subjected to digestion with 1M NaOH solution. As in the previous case, the solution used was in the amount of 30 mL / g. Digestion was performed twice in static conditions for 24 h. The resulting carbon replicas were then filtered on a fluted filter, washing with distilled water until neutralization of the filtrate, then with ethanol (2 x 20 mL) and dried overnight at 90 ° C.

The obtained materials were marked as s-CR_40-75_z and s-CR_75-200_z, where: z - means the etching agent (HF or NaOH).

Fig. 2 shows the results of the adsorption tests carried out on carbon replicas obtained by extracting the structure-forming template with 5% HF and 1 M NaOH.

The obtained results confirm that the carbon replicas constituting the core of the composite material described in the invention are characterized by high sorption capacity in relation to all tested VOC representatives. It has been proved that an important parameter influencing the hydrophilicity of the carbon material surface is the selection of a silica matrix etching agent. The use of a sodium base solution allows to obtain a material of high hydrophilicity, which has a similar affinity for both polar and non-polar adsorbates. On the other hand, removing the template with hydrofluoric acid results in obtaining a material with a lower content of oxygen surface groups, which causes a significant reduction in its hydrophilicity and, consequently, a much lower affinity for polar adsorbates. The sorption capacity in terms of toluene vapor is also reduced, while in the case of n-heptane its slight increase was noted.

Example 5

Comparison of the adsorption-desorption properties of a carbon core, a carbon core with a ZrO2 shell and a carbon core with a ZrO2 and Pt shell with respect to toluene vapors.

The adsorption properties of the materials were tested in the toluene vapor dynamic adsorption-desorption process with the QMS mass spectrometer detector. A carrier gas stream (nitrogen or air, 100 mL / min) saturated with toluene vapor (toluene content in the carrier gas equal to 0.1 vol.%) Was directed to a flow-through reactor with a stationary bed of the adsorbent (50 mg). The reactor was kept at a temperature of 68 ° C, the toluene vapor pressure p / po = 0.25. Sorption was carried out for 1.5 h from the moment of opening the valve, after which the system was switched to the desorption mode (the flow of pure carrier gas was 100 mL / min).

Table 2. Results of dynamic adsorption-desorption tests of toluene vapors - physically adsorbed forms

Sample Replica CMK-1 CMK-l / ZrO 2 Pt-CMK-l / ZrO 2 Capacity [mg / g] Carrier gas - nitrogen 48.9 38.6 42.4 Carrier gas - air - 27.1 27.3

Claims (20)

PL 240 269 Β1PL 240 269 Β1 Tabela 3. Wyniki testów dynamicznej adsorpcji-desorpcji par toluenu - całkowita ilość zaadsorbowanegoTable 3. Results of dynamic adsorption-desorption tests of toluene vapors - total amount of adsorbed Próbka Replika CMK-1 CMK-l/ZrOi Pt-CMK-l/ZrO2 Sample Replica CMK-1 CMK-l / ZrOi Pt-CMK-l / ZrO 2 Pojemność [mg/g]Capacity [mg / g] Gaz nośny - azot 168,9 158,8 103,8Carrier gas - nitrogen 168.9 158.8 103.8 Gaz nośny - powietrze - 51,7 75,8Carrier gas - air - 51.7 75.8 Wyniki eksperymentów potwierdziły wysoką pojemność sorpcyjną materiałów według wynalazku. Pomimo, iż modyfikacja powierzchni węgla ograniczyła zdolności adsorpcyjne materiałów w stosunku do prekursora węglowego, powłoka ZrO2 zwiększyła stabilność termiczną rdzenia węglowego w atmosferze utleniającej w porównaniu do przykładowego mezoporowatego węgla typu CMK-1. Powłoka ZrO2 izoluje węglowy rdzeń katalizatora od atmosfery utleniającej, w której prowadzony jest proces dopalania katalitycznego LZO zabezpieczając go przed spaleniem. Naniesienie fazy aktywnej spowodowało zwiększenie pojemności sorpcyjnej względem CMK-1/ZrO2.The results of the experiments confirmed the high sorption capacity of the materials according to the invention. Although the modification of the carbon surface reduced the adsorption capacity of the materials in relation to the carbon precursor, the ZrO2 coating increased the thermal stability of the carbon core in an oxidizing atmosphere compared to the exemplary CMK-1 mesoporous carbon. The ZrO2 coating isolates the carbon core of the catalyst from the oxidizing atmosphere in which the catalytic VOC afterburning process is carried out, protecting it against combustion. The application of the active phase increased the sorption capacity in relation to CMK-1 / ZrO2. Przykład 6Example 6 Ocena aktywności katalitycznych materiałów według wynalazku.Evaluation of the catalytic activity of the materials according to the invention. Zmianę aktywności katalitycznej materiałów 1% Pt- CMK1@ZrO2 (Przykład 1) oraz materiałów 10%CuO- sC@ZrO2 i 10%Co3O4- sC@ZrO2 (Przykład 2) w funkcji temperatury przedstawiono na Fig. 3. Testy katalityczne przeprowadzono przy użyciu układu przepływowego wyposażonego w mikroreaktor kwarcowy w przepływie powietrza (100 mL/min, stężenie toluenu 1000 ppm). Do detekcji ilości substratów/produktów reakcji wykorzystano spektrometr masowy wyposażony w kwadrupolowy detektor mas. Eksperyment wykonano w zakresie temperatur 50-500°C, z ciągłym narostem 1°C/min dla próbki o masie 100 mg. Przed eksperymentem próbkę odgazowywano w przepływie gazu obojętnego (50 mL/min) w temperaturze 200°C przez 30 minut.The change in catalytic activity of the 1% Pt-CMK1 @ ZrO2 materials (Example 1) and the 10% CuO-sC @ ZrO2 and 10% Co3O4-sC @ ZrO2 materials (Example 2) as a function of temperature is shown in Fig. 3. Catalytic tests were carried out using a flow system equipped with an air-flow quartz microreactor (100 mL / min, toluene concentration 1000 ppm). A mass spectrometer equipped with a quadrupole mass detector was used to detect the amount of reactants / reaction products. The experiment was performed in the temperature range of 50-500 ° C, with a continuous increase of 1 ° C / min for a sample weighing 100 mg. Prior to the experiment, the sample was degassed under an inert gas flow (50 mL / min) at 200 ° C for 30 minutes. Wyniki przeprowadzonego testu potwierdziły dużą aktywność katalityczną opracowanych materiałów. Całkowite utlenienie zaadsorbowanych par toluenu nastąpiło w temperaturze 210°C dla materiału 1% Pt-CMK1@ZrO2 oraz 400°C dla próbek zawierających CuO lub CO3O4 jako fazę aktywną. Tak niska temperatura utleniania toluenu połączona z wysoką pojemnością sorpcyjną rdzenia węglowego wskazuje na możliwość ich potencjalnego zastosowania jako dwufunkcyjnych materiałów w procesach adsorpcyjno-katalitycznej eliminacji lotnych związków organicznych.The test results confirmed the high catalytic activity of the developed materials. The complete oxidation of the adsorbed toluene vapors took place at the temperature of 210 ° C for the 1% Pt-CMK1 @ ZrO2 material and at 400 ° C for the samples containing CuO or CO3O4 as the active phase. Such a low temperature of toluene oxidation combined with the high sorption capacity of the carbon core indicates the possibility of their potential use as bifunctional materials in the processes of adsorption and catalytic elimination of volatile organic compounds. Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Materiał kompozytowy w postaci cząstek stałych o budowie typu rdzeń-powłoka-faza aktywna, obejmujący rdzeń z materiału adsorpcyjnego, co najmniej jeden tlenek nieorganiczny oraz cząstki fazy aktywnej katalitycznie, znamienny tym, żeCLAIMS 1. A particulate composite material having a core-shell-active phase structure comprising a core of an adsorbent material, at least one inorganic oxide and particles of a catalytically active phase, characterized in that - materiał adsorpcyjny stanowi porowaty węgiel,- the adsorption material is porous carbon, - tlenek nieorganiczny stanowiący powłokę rdzenia i nośnik fazy aktywnej katalitycznie stanowi tlenek cyrkonu,- the inorganic oxide constituting the core coating and the catalytically active phase carrier is zirconium oxide, - faza aktywna katalitycznie złożona jest z nanocząstek lub ich aglomeratów na bazie metali lub tlenków metali wybranych z grupy obejmującej Pt, CO3O4, CuO.- the catalytically active phase consists of nanoparticles or their agglomerates based on metals or metal oxides selected from the group consisting of Pt, CO3O4, CuO. 2. Materiał kompozytowy według zastrz. 1 znamienny tym, że cząstki stałe są kuliste.2. The composite material according to claim 1 The process of claim 1, wherein the solids are spherical. 3. Materiał kompozytowy według zastrz. 1 znamienny tym, że rdzeń węglowy stanowi mezoporowaty materiał węglowy o powierzchni właściwej z zakresu 306-514 m2/g i objętości porów z zakresu 0,24 do 0,61 cm3/g.3. The composite material according to claim 1 The method of claim 1 , wherein the carbon core is a mesoporous carbon material with a specific surface area in the range 306-514 m2 / g and a pore volume in the range 0.24 to 0.61 cm3 / g. 4. Materiał kompozytowy według zastrz. 1 znamienny tym, że tlenek nieorganiczny jest porowaty.4. The composite material according to claim 1 The method of claim 1, wherein the inorganic oxide is porous. 5. Materiał kompozytowy według zastrz. 1 znamienny tym, że fazę aktywną katalitycznie stanowią metale lub ich tlenki naniesione na otoczkę tlenkową oraz sama powłoka.5. The composite material according to claim 1 2. The process of claim 1, wherein the catalytically active phase consists of metals or their oxides deposited on the oxide shell and the shell itself. 6. Materiał kompozytowy według zastrzeżenia 1 znamienny tym, że nanocząstki fazy aktywnej katalitycznie są osadzone na powierzchni tlenku nieorganicznego bez kontaktu z rdzeniem węglowym.6. A composite material according to claim 1, characterized in that the catalytically active phase nanoparticles are deposited on the surface of the inorganic oxide without contact with the carbon core. PL 240 269 B1PL 240 269 B1 7. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego określonego zastrzeżeniami 1-6 obejmujący następujące etapy:7. A method for obtaining a composite material according to claims 1-6, comprising the following steps: a) otrzymywanie porowatych cząstek węglowych,a) obtaining porous carbon particles, b) nanoszenie powłoki tlenkowej na rdzeń z porowatego materiału węglowego, c) osadzanie cząstek fazy aktywnej katalitycznie na powłoce tlenkowej.b) applying an oxide coating to the core of porous carbon material, c) depositing particles of the catalytically active phase on the oxide coating. 8. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 7 znamienny tym, że etap8. A method for obtaining a composite material according to claim 1. The method of claim 7, wherein step a) przeprowadza się z wykorzystaniem odwzorowania sztywnych szablonów krzemionkowych, gdzie surowiec/prekursor węgla wprowadza się do matrycy krzemionkowej poprzez impregnację lub polimeryzację metodą in-situ.a) is performed using rigid silica pattern imaging, where the carbon raw material / precursor is introduced into the silica matrix by impregnation or in-situ polymerization. 9. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 8 znamienny tym, że prekursorem węgla są polimery uzyskane na drodze polimeryzacji in situ monomerów wybranych z grupy obejmującej alkohol furfurylowy, mieszaninę fenolu z formaldehydem, akrylonitryl.9. A method for obtaining a composite material according to claim 1 The process of claim 8, wherein the carbon precursor is polymers obtained by in situ polymerization of monomers selected from the group consisting of furfuryl alcohol, phenol-formaldehyde mixture, acrylonitrile. 10. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 8 znamienny tym, że prekursorem są cukry wybrane z grupy sacharoza, glukoza, ksyloza.A method for obtaining a composite material according to claim 1, The method of claim 8, wherein the precursor is sugars selected from the group of sucrose, glucose, xylose. 11. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 8 znamienny tym, że szablony krzemionkowe są na bazie żelu krzemionkowego lub mezoporowatych materiałów krzemionkowych typu SBA-15, SBA-16, MCM-41 i MCM-48 o sferycznym kształcie cząstek.11. A method for obtaining a composite material according to claim 1. The method of claim 8, characterized in that the silica templates are based on silica gel or mesoporous silica materials of the type SBA-15, SBA-16, MCM-41 and MCM-48 with spherical particle shape. 12. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 8 znamienny tym, że prekursor węgla wprowadza się do systemu porów sferycznego materiału krzemionkowego dla uzyskania kompozytu polimerowo-krzemionkowego, który następnie jest poddawany karbonizacji w temperaturze z zakresu 600-1000°C w atmosferze gazu obojętnego jakim jest argon, azot lub hel dla otrzymania materiału węglowo-krzemionkowego, a następnie krzemionka usuwana jest z kompozytu węglowego poprzez trawienie roztworem NaOH o stężeniu w zakresie od 1 do 5 M lub roztworem HF o stężeniu w zakresie 1-10% w temperaturze z zakresu od 25 do 90°C.12. A method for obtaining a composite material according to claim 1, 8. The process of claim 8, characterized in that the carbon precursor is introduced into the pore system of the spherical silica material to obtain a polymer-silica composite, which is then carbonized at a temperature in the range of 600-1000 ° C in an inert atmosphere such as argon, nitrogen or helium to obtain the material carbon-silica, and then the silica is removed from the carbon composite by etching with a NaOH solution ranging from 1 to 5 M or a HF solution ranging from 1-10% at a temperature ranging from 25 to 90 ° C. 13. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 7 znamienny tym, że usuwanie krzemionki przeprowadza się przed lub po osadzeniu powłoki z tlenku nieorganicznego.13. A method for obtaining a composite material according to claim 1, 7. The process of claim 7, wherein removal of the silica is performed before or after deposition of the inorganic oxide coating. 14. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 7 znamienny tym, że powłoka tlenkowa jest nanoszona w etapie b) poprzez hydrolizę i polikondensację alkoholanu metalu.14. A method for obtaining a composite material according to claim 1, The method of claim 7, wherein the oxide coating is applied in step b) by hydrolysis and polycondensation of the metal alkoxide. 15. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 14 znamienny tym, że reakcję prowadzi się w roztworze alkoholu bezwodnego w obecności surfaktantu.15. A method for obtaining a composite material according to claim 1, 14. The process of claim 14, wherein the reaction is carried out in an anhydrous alcohol solution in the presence of a surfactant. 16. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 7 znamienny tym, że po etapie b) materiał jest suszony i karbonizowany w temperaturze z zakresu 600-1000°C w atmosferze gazu obojętnego w czasie od 1 do 48 h, podnosząc temperaturę z szybkością od 0,1 do 50°C/min.16. A method for obtaining a composite material according to claim 1, 7. The method of claim 7, characterized in that, after step b), the material is dried and carbonized at a temperature in the range of 600-1000 ° C in an inert gas atmosphere for 1 to 48 hours, increasing the temperature at a rate of 0.1 to 50 ° C / min. 17. Sposób otrzymywania materiału kompozytowego według zastrz. 7 znamienny tym, że nanocząstki fazy aktywnej katalitycznie w etapie c) nanosi się na warstwę tlenku nieorganicznego sposobem impregnacji z roztworu łatwo rozpuszczalnego związku wybranego metalu.17. A method for obtaining a composite material according to claim 1 8. Method according to claim 7, characterized in that the catalytically active phase nanoparticles in step c) are applied to the inorganic oxide layer by the impregnation method from a solution of a readily soluble compound of the selected metal. 18. Zastosowanie materiału kompozytowego określonego zastrz. 1 do eliminacji lotnych związków organicznych na drodze adsorpcji w rdzeniu utworzonym z węgla porowatego i ich następczego katalitycznego utleniania poprzez fazę aktywną katalityczną obecną w powłoce.18. Use of a composite material as defined in claim 1 1 for the elimination of volatile organic compounds by adsorption in a core formed of porous carbon and their subsequent catalytic oxidation through the active catalytic phase present in the coating. 19. Zastosowanie materiału kompozytowego według zastrz. 18 znamienne tym, że adsorpcja lotnych związków organicznych odbywa się w temperaturze w zakresie 20-100°C, a dopalanie katalityczne w temperaturze powyżej 150°C.19. Use of a composite material according to claim 1 18, characterized in that the volatile organic compounds adsorption takes place at a temperature in the range of 20-100 ° C, and catalytic afterburning at a temperature above 150 ° C. 20. Zastosowanie materiału kompozytowego według zastrz. 18 znamienne tym, że lotne związki organiczne są wybrane z grupy węglowodorów alifatycznych i aromatycznych.20. Use of a composite material according to claim 1 18. The volatile organic compounds are selected from the group of aliphatic and aromatic hydrocarbons.
PL423615A 2017-11-27 2017-11-27 Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application PL240269B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL423615A PL240269B1 (en) 2017-11-27 2017-11-27 Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application
DE102018129499.9A DE102018129499A1 (en) 2017-11-27 2018-11-22 Composite material in the form of solid particles with core-shell active phase structure, process for obtaining such composite material and its use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL423615A PL240269B1 (en) 2017-11-27 2017-11-27 Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL423615A1 PL423615A1 (en) 2019-06-03
PL240269B1 true PL240269B1 (en) 2022-03-07

Family

ID=66442301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL423615A PL240269B1 (en) 2017-11-27 2017-11-27 Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018129499A1 (en)
PL (1) PL240269B1 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI733200B (en) * 2019-09-27 2021-07-11 財團法人工業技術研究院 Catalyst and method for manufacturing the same and method of removing vocs
CN112958110B (en) * 2021-02-26 2022-09-06 上海大学材料基因组工程(萍乡)研究院 Method for preparing efficient VOC catalyst by step-by-step activation method
CN114933324B (en) * 2022-06-06 2023-09-26 天目湖先进储能技术研究院有限公司 Ce (cerium) 2 O 2 S@C core-shell nanostructure composite
CN115672270B (en) * 2022-10-21 2024-08-13 爱科美材料科技(南通)有限公司 Preparation method of porous carbon nano manganese dioxide composite material for oil-water separation
CN115722229B (en) * 2022-11-04 2024-02-06 中国科学技术大学苏州高等研究院 Bimetallic oxide nano material and preparation method and application thereof
CN116037110B (en) * 2023-02-13 2024-08-20 珠海格力电器股份有限公司 Preparation method of manganese oxide loaded platinum catalyst and catalyst

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2009157434A1 (en) 2008-06-23 2011-12-15 日揮株式会社 Carbon dioxide off-gas purification method, purification combustion catalyst, and natural gas production method
CN103480369B (en) 2012-06-13 2015-05-20 中国石油天然气股份有限公司 Platinum nano composite catalyst and preparation and application thereof
CN105473221A (en) 2013-08-23 2016-04-06 巴斯夫公司 Catalysts for oxidation of carbon monoxide and/or volatile organic compounds
US10183252B2 (en) 2014-10-30 2019-01-22 Basf Corporation Base metal catalyst for treatment of ozone and volatile organic compounds present in air supply

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018129499A1 (en) 2019-05-29
PL423615A1 (en) 2019-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PL240269B1 (en) Composite material in the form of solid particles with the construction of the core-coating-active phase type, method for obtaining of such composite material and its application
Wang et al. Ru/hierarchical HZSM-5 zeolite as efficient bi-functional adsorbent/catalyst for bulky aromatic VOCs elimination
Muylaert et al. Ordered mesoporous phenolic resins: Highly versatile and ultra stable support materials
Valle-Vigón et al. Sulfonated mesoporous silica–carbon composites and their use as solid acid catalysts
KR101396374B1 (en) Tungsten carbide catalyst supported on mesoporous carbon, preparation and application thereof
Minju et al. Amine impregnated porous silica gel sorbents synthesized from water–glass precursors for CO2 capturing
Piumetti et al. Mesoporous silica supported Rh catalysts for high concentration N2O decomposition
Caruso et al. Silica films with bimodal pore structure prepared by using membranes as templates and amphiphiles as porogens
Ahmad et al. Adsorptive removal of resorcinol on a novel ordered mesoporous carbon (OMC) employing COK-19 silica scaffold: kinetics and equilibrium study
Li et al. Hydrothermal stability of mesostructured cellular silica foams
Chen et al. Nanofiber-like mesoporous alumina supported palladium nanoparticles as a highly active catalyst for base-free oxidation of benzyl alcohol
Li et al. New solid-base Cu–MgO for CO2 capture at 473 K and removal of nitrosamine
Wang et al. Low temperature combustion of VOCs with enhanced catalytic activity over MnO2 nanotubes loaded with Pt and Ni–Fe spinel
Zeng et al. High-performance CO 2 capture on amine-functionalized hierarchically porous silica nanoparticles prepared by a simple template-free method
JP2009155178A (en) Fine particle composite, method of manufacturing the same and catalyst containing the same
Peng et al. Synthesis of core–shell structured TS-1@ mesocarbon materials and their applications as a tandem catalyst
Cao et al. Adsorption of NO on ordered mesoporous carbon and its improvement by cerium
Licciulli et al. CO2 capture on amine impregnated mesoporous alumina-silica mixed oxide spheres
KR100766748B1 (en) Fabrication of the catalytic complex with the spherical carbon/silica nano-complex support
Simaioforidou et al. Surface chemical modification of macroporous and mesoporous carbon materials: Effect on their textural and catalytic properties
Hermida Synthesis and characterization of mesostructured cellular foam (MCF) silica loaded with nickel nanoparticles as a novel catalyst
CN107344720B (en) A kind of Y type molecular sieve and preparation method thereof
Abdouss et al. Effect of the structure of the support and the aminosilane type on the adsorption of H 2 S from model gas
Wang et al. Synthesis of morphology-controllable mesoporous Co3O4 and CeO2
US9908102B2 (en) Hierarchical porous monoliths and methods for their preparation and use