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《中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)》 2017年
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含钴锰基水滑石衍生复合氧化物的制备及其催化氧化VOCs性能研究

莫胜鹏  
【摘要】:全国环境污染形势越来越严重,解决环境问题迫在眉睫。挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)作为大气污染物之一,不仅破坏生态环境,而且影响了人们的健康。催化氧化技术是解决空气VOCs污染问题最有效途径之一,且不会产生二次污染物,其关键问题是研制低成本、高效、稳定性好的催化剂。水滑石(Layered Double Hydroxides,LDHs)衍生得到的复合氧化物具有多孔性、高比表面积、协同效应、酸碱双功能性及晶粒高度分散等特性,在环境催化领域表现出良好的应用潜力,是制备催化反应器的主要功能组件,尤其是整体式薄膜材料。本论文旨在通过制备含Co/Mn的LDHs衍生得到多元复合氧化物催化剂,详细研究了其形貌、表面结构和化学性质,揭示了催化剂结构与催化氧化性能之间的关系;最终通过原位生长法制备ab面垂直于基底整体式薄膜催化剂。具体研究内容和结果如下:(1)Co-Al复合氧化物的结构调控及其催化氧化VOCs性能通过简单地控制反应溶剂(水、甲醇和乙醇)和氨释放剂(氨水、六次甲基四胺和尿素)合成了不同形貌的Co-Al LDHs,包括弯曲片、不完整六边形片和绒球状,比较了其氧化物对典型VOCs(苯)催化氧化性能。结果表明,采用乙醇和尿素的条件所得的绒球状的CoAl氧化物催化性能最好,在230℃下苯的转化率为99%。(2)氧化物结构缺陷及其催化氧化VOCs性能在纯氧气气氛下,将Co2+(3d7)氧化为Co3+(3d6)成功制备了CoⅡCoⅢLDHs,煅烧后得到缺陷结构氧化物。通过激光拉曼光谱、H2-TPR、TPD和XPS表征氧化物结构缺陷(酸性位点、氧缺陷和表面价态分布),并与Co-Al氧化物比较对苯和甲苯的催化性能。原位氧化法制备的氧化物催化氧化苯、甲苯完全转化的温度分别为210℃和220℃,具有丰富的结构缺陷,诱导产生良好的低温还原性、表面路易斯酸性位点和活性氧(Oads)。(3)复合组分协同效应与催化氧化性能关系通过分别引入Co、Ce掺杂Mn-Al LDHs成功制备了三元的LDHs,经煅烧形成一系列层状复合氧化物。研究表明,LDHs主层板的金属元素种类和比例影响了复合氧化物晶型结构、比表面积、还原能力和表面物种分布,并进一步探讨锻烧温度对结构的影响。在Co-Mn-Al催化剂体系中,当Co:Mn=1:2时,比表面积最大为128.04m2 g-1,孔径分布更集中,晶粒最小,催化氧化苯转化90%的温度(T90)为238℃;在低温条件下(350℃)锻烧得到的氧化物结构更完整、比表面积高,但在高温条件下(550℃)得到的氧化物催化性能最好(T90=208℃),组分协同效应增强。在Ce-Mn-Al氧化物催化剂体系中,Ce元素掺杂Mn-Al形成固溶体促进了 CeO2和MnOx的协同效应、增大Mn4+/Mn3+和晶格氧(Olatt)比例,进一步促进催化氧化苯性能。(4)整体式薄膜催化剂催化氧化VOCs性能研究基于上述研究结果,采用原位生长技术在铝箔上制备出一系列垂直生长的Co-Mn-Al LDHs,并以此为前驱体制备了整体式Co-Mn-Al氧化物薄膜催化剂,考察了对苯的催化氧化性能。研究结果表明,整体式Co-Mn-Al薄膜催化剂的最优样品催化氧化苯的T90为240℃,比二元的Mn-Al和Co-Al薄膜催化剂的T90分别降低了 25℃和60℃。整体式薄膜的结构比粉体更复杂,单位质量的反应速率明显优于最优的粉体催化剂,整体式薄膜的Oads/Olatt约为0.916,而粉体的Oads/Olatt约为0.55。金属基整体式催化剂成功应用于催化VOCs,为催化反应器的制备奠定了一定实践基础。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O643.36

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 Gang Liu;Jiaqi Li;Kun Yang;Wenxiang Tang;Haidi Liu;Jun Yang;Renliang Yue;Yunfa Chen;;Effects of cerium incorporation on the catalytic oxidation of benzene over flame-made perovskite La_(1-x)Ce_xMnO_3 catalysts[J];Particuology;2015年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 Xiazhang Li;Yu Yin;Chao Yao;Shixiang Zuo;Xiaowang Lu;Shiping Luo;Chaoying Ni;;La_(1-x)Ce_xMnO_3/attapulgite nanocomposites as catalysts for NO reduction with NH_3 at low temperature[J];Particuology;2016年03期
2 李佳琪;邓昱洲;刘刚;岳仁亮;杨军;陈运法;;火焰燃烧法在金属氧化物和贵金属负载型催化剂制备中的应用[J];山东大学学报(理学版);2016年01期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 Gang Liu;Renliang Yue;Yi Jia;Yong Ni;Jie Yang;Haidi Liu;Zhen Wang;Xiaofeng Wu;Yunfa Chen;;Catalytic oxidation of benzene over Ce-Mn oxides synthesized by flame spray pyrolysis[J];Particuology;2013年04期
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