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《北京工业大学》 2016年
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多孔或规整形貌金属氧化物制备及其催化性能研究

张玉娟  
【摘要】:自人们发现催化剂的形貌对催化性能具有较大影响以来,规整形貌纳米材料的可控制备及其性能研究成为催化领域研究的热点课题。多孔金属氧化物因其具有高比表面积和发达的孔结构在催化领域备受关注。多孔结构一方面有利于降低反应物和产物的传质阻力,另一方面有利于活性组分在表面的分散,从而大幅度提高催化剂的性能。若将贵金属纳米粒子担载到具有规整形貌或多孔结构的金属氧化物载体上,则有望进一步改善其催化性能。本论文采用不同的制备方法,制备了具有规整形貌的Mn O2和La Fe O3纳米粒子,介孔结构的Co3O4、Mn O2、Cr2O3,以及三维有序大孔(3DOM)结构的La0.6Sr0.4Co O3、Pr6O11和Tb4O7。以其为载体,采用聚乙烯醇(PVA)保护的Na BH4还原法制备了相应的负载贵金属纳米催化剂。采用多种手段表征了催化剂的物化性质,并评价了其对CO或甲苯氧化反应的催化活性。论文取得以下主要研究结果:(1)采用通过改变锰源、水热温度和晶化时间的水热法制备了棒状、管状、线状Mn O2及其负载的Au纳米催化剂。棒状、管状、线状Mn O2的较适宜水热温度分别为140 ℃、120 ℃和240 ℃,水热时间为12 h、12 h和24 h。棒状、管状、线状Mn O2的比表面积分别为48.4 m2/g、64.3 m2/g和114 m2/g。在CO/O2摩尔比为1/20和空速为20000 m L/(g h)或甲苯浓度为1000 ppm、甲苯/氧气摩尔比为1/400和空速为20000 m L/(g h)的反应条件下,线状和管状α-Mn O2比棒状α-Mn O2对CO或甲苯氧化反应表现出较高的催化活性。担载Au纳米粒子可显著提高催化剂的活性,其中4 wt%Au/棒状Mn O2具有最好的催化性能,这与其较好的低温还原性和Au纳米粒子与棒状Mn O2之间的强相互作用有关。(2)采用水热法制备了一维单晶La(OH)3和Fe2O3纳米线/棒/管。分别以其为模板制备了La Fe O3纳米材料。α-Fe2O3纳米棒/棒/管均为单相菱面体晶相结构,La(OH)3具有单相六方相晶体结构。在以La(OH)3和Fe2O3纳米材料为模板合成La Fe O3纳米材料时,灼烧温度的升高有利于钙钛矿晶相La Fe O3的形成。(3)采用以KIT-6为硬模板的纳米复制法制得了介孔Co3O4、Mn O2和Cr2O3。采用PVA保护的Na BH4还原法制备了meso-MOx(M=Co,Mn,Cr)担载的Au纳米催化剂。硬模板KIT-6抑制了金属氧化物晶粒的长大和聚集,使meso-Co3O4和meso-Mn O2仍具有较大比表面积(139–161 m2/g)。在CO浓度为1 vol%和空速为20000 m L/(g h)的条件下,8 wt%Au/meso-MOx具有最高的催化CO氧化活性,其中在8 wt%Au/meso-Co3O4上的T50%和T90%分别为30 ℃和60 ℃,其优异的催化性能与其较大的比表面积和较高的Au负载量(即更多暴露在表面的活性位)有关。(4)采用多元醇法和液相沉积法制得Co3O4纳米催化剂。采用浸渍法和原位水热法制得x wt%Co3O4/SBA-15(x=10–50 wt%)催化剂。由多元醇法所得Co3O4比表面积为54.4 m2/g,由液相沉积法所得Co3O4比表面积为95.4m2/g,由浸渍法所得18 wt%Co3O4/SBA-15比表面积为361 m2/g,由原位水热法制得50 wt%Co3O4/SBA-15比表面积为521 m2/g。Co3O4催化剂在常温(25 ℃)下就可完全氧化CO。由多元醇法制得的Co3O4持续反应50 h后活性才开始下降,即使在少量水存在下,该催化剂仍能保持50%的CO转化率,并且储存时间对不影响催化性能;由液相沉积法制得Co3O4持续反应7.5 h后活性开始下降。由浸渍法制得的Co3O4/SBA-15部分Co3O4纳米粒子进入到SBA-15介孔中,经过预处理后,30 wt%Co3O4/SBA-15催化剂显示出最佳活性,T100%为100 ℃。并且发现存在少量水的情况下,T90%向高温方向移动了80 ℃,但储存时间对催化性能影响不大。由原位水热法制得的Co3O4/SBA-15催化剂,Co3O4并没有进入到SBA-15的介孔孔道中。经过预处理后,50 wt%Co3O4/SBA-15催化剂显示出最佳活性,T100%为160oC。(5)采用直接水热法制备了x Fe-SBA-15[理论摩尔比x(n Fe/n Fe+Si)=1.0–5.5mol%],采用等体积浸渍法制备了y Fe Ox/SBA-15[理论摩尔比y(n Fe/n Fe+Si)=1.0–4.0 mol%]。这些催化剂均具有二维六方结构的有序介孔,且表面形貌呈棒状或链条状。Fe以高分散态嵌入到介孔骨架中或介孔表面。在甲苯浓度为1000 ppm、甲苯/氧气摩尔比为1/200和空速为20000 m L/(g h)的条件下,x Fe-SBA-15的催化活性高于具有类似Fe负载量的负载型的y Fe Ox/SBA-15的。Fe嵌入量为5.5%的x Fe-SBA-15催化剂显示最好的催化活性(在420 ℃时可将甲苯完全氧化),良好的催化活性与其较高的比表面积、较好的Fe物种分散度和较好的低温还原性有关。(6)以PMMA微球为硬模板,以乙二醇、水和甲醇为溶剂,以赖氨酸为络合剂制备了菱方晶相钙钛矿结构的3DOM La0.6Sr0.4Co O3,采用PVA保护的Na BH4还原法制得M/3DOM La0.6Sr0.4Co O3(M=Au,Pd)催化剂;以PMMA微球为硬模板,以F127为软模板辅助、以L-赖氨酸为软模板分别制备了多孔3DOM Pr6O11和3DOM Tb4O7催化剂。3DOM La0.6Sr0.4Co O3和Au/3DOM La0.6Sr0.4Co O3均具有三维有序大孔结构,孔径约为60 nm,孔壁厚度在10–30 nm之间。Au/3DOM La0.6Sr0.4Co O3对CO氧化反应显示较好的催化活性,其中8 wt%Au/3DOM La0.6Sr0.4Co O3催化剂在常温下即可将CO完全氧化。与Au/3DOM La0.6Sr0.4Co O3不同的是,过多的Pd负载量反而削弱催化剂的活性,其中1.0 wt%Pd/3DOM La0.6Sr0.4Co O3具有较好的催化CO氧化活性。多孔3DOM Pr6O11-F127在400 ℃可完全氧化CO,且在反应过程中CO转化率和反应速率随反应温度升高而增大。当反应温度小于360 ℃时,CO转化率和反应速率按照Pr6O11-LysinePr6O11-F127或Tb4O7-LysineTb4O7-F127的顺序递增;但当反应温度大于360 ℃时,CO在Pr6O11-F127上的反应速率小于在Pr6O11-Lysine上的。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O643.36

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