金属—炭材料的合成、表征和催化应用研究

【摘要】： 有机溶胶-凝胶法制备炭材料是近年来材料研究中的热点之一。本论文尝试在成胶过程中直接加入金属前驱体,通过缩聚、干燥、炭化过程制备出一系列的金属-炭干凝胶或气凝胶。并首次将金属-炭干凝胶用于NO催化还原和肼分解反应,考察了金属-炭干凝胶的催化性能,对金属-炭干凝胶在NO催化还原反应中的失活机制进行了分析。主要结果如下: 在苯酚(P)和甲醛(F)成胶体系中,加入Cu(NO_3)_2或Co(NO_3)_2为成胶催化剂,制备出Cu-C和Co-C干凝胶。N_2-物理吸附和TG-Mass实验结果表明:不同的金属对缩聚和炭化过程有不同的催化作用,导致Cu-C干凝胶呈微孔分布,而Co-C干凝胶为中孔分布。XRD和TEM表明金属在炭基体中分布均匀,但金属为无定形结构且有部分被包埋于炭中。在无氧条件下,Cu-C和Co-C干凝胶对NO催化还原反应均表现出很好的活性,特别是稳定性大大优于浸渍法制备的Cu/C和Co/C负载型催化剂。 在间苯二酚(R)和甲醛(F)成胶体系中加入H_2IrCl6制备出Ir-C干凝胶。N_2-物理吸附、SEM、TEM、XRD、TG-Mass等实验证明:Ir-C干凝胶呈微孔分布;尽管经历1000oC长时间的高温炭化过程,炭基体中的金属Ir仍然分布均匀,大小在1-3nm。NO催化还原反应结果表明:尽管Ir-C干凝胶比Ir/C负载型催化剂表现出更好的活性和稳定性,但是在有氧存在下,即使外加还原剂CO,也难以避免炭的燃烧反应,从而导致催化剂的失活。而Ir-C干凝胶催化肼分解反应表现出良好的活性和稳定性,表明此类炭材料更适合在还原性反应气氛下使用。 在间苯二酚(R)和甲醛(F)成胶体系中加入不同的过渡金属硝酸盐(Cu,Co,Ni,Fe),制备出具有不同孔结构的金属-炭干凝胶和气凝胶。其中,Cu-C干凝胶和气凝胶为微孔结构,而Co-C,Ni-C,Fe-C都为中孔结构;特别是Ni-C干凝胶中有炭纳米管生成。Co-C,Fe-C,Ni-C干凝胶对于肼分解反应的顺序为:Co-C Fe-C Ni-C;金属-炭干凝胶的肼分解活性和H_2选择性都优于浸渍法制备的炭载催化剂。