铜锰氧化物制备改性及其CO催化氧化性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:cr_idealism
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CO催化氧化技术在消防工业、国防工业、能源、环境等众多领域都具有重要的应用价值。铜锰氧化物作为一种廉价易得、性能优异的催化剂,常被应用于CO催化氧化反应。对该类催化剂制备改性方法的深入研究,有利于获得高活性CO氧化催化剂。另外,探索具有抗水汽性能的铜锰氧化物催化剂的制备方法,提高铜锰氧化物催化剂的稳定性也是该类催化剂的重要研究方向。本论文首先对铜锰氧化物催化剂合成过程中共沉淀条件进行了优化,进而采用过渡金属氧化物掺杂、有机添加剂辅助等手段改性合成铜锰氧化物,研究了铜锰氧化物催化剂的结构组成、氧化还原能力、活性物种的种类和数量、CO吸附活化能力、CO催化氧化性能,采用氮气物理吸附(N2sorption)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、程序升温还原(H2-TPR)、程序升温脱附(CO-TPD)、热重分析(TG)、傅里叶红外(FT-IR)、原位漫反射红外(DRIFTS)等手段系统地表征了催化剂的结构和表面特征,在此基础上,初步探索了铜锰氧化物催化剂的疏水改性方法。主要工作如下:(1)选择具有不同阴离子的沉淀剂(OH-和C032-)及前驱体(Ac-和N03-),采用共沉淀法合成铜锰氧化物催化剂,研究前驱体与沉淀剂之间的匹配选择关系对铜锰氧化物催化性能的影响,同时研究了沉淀过程中Cu/Mn摩尔比、沉淀反应温度、前驱体焙烧温度对铜锰氧化物CO催化氧化性能的影响,结果表明,在合适的Cu/Mn摩尔比、沉淀反应温度、前驱体焙烧温度的基础上,选择具有不同阴离子的前驱体和沉淀剂,催化剂的CO催化氧化活性顺序遵循(Ac-+CO32->(NO3-+CO32-)>(Ac-+OH-)>(NO3-+OH-),采用醋酸盐前驱体和碳酸盐沉淀剂合成的催化剂可在50℃实现CO完全转化。前驱体可以改变催化剂的活性位数量,而沉淀剂主要改变催化剂的晶相组成,沉淀剂对催化剂的活性影响更为显著。(2)为了进一步提高铜锰氧化物催化剂的催化活性,针对性选取了过渡金属氧化物中具有储氧能力的氧化铁和氧化铈对铜锰氧化物进行掺杂,作为对比,选取了没有储氧能力的氧化锌对铜锰氧化物进行掺杂,研究了过渡金属氧化物掺杂合成的铜锰氧化物催化剂的表面组成、氧化还原性、CO吸附能力和CO催化氧化性能。发现具有供氧能力的氧化铁和氧化铈能显著提高铜锰氧化物的CO吸附能力,进而提高CO催化活性,掺杂氧化铁使催化剂在30℃的CO转化率提高35%,完全转化温度降低至60℃;掺杂氧化锌可提高催化剂的氧化还原能力,使催化活性略有提高。(3)利用表面活性剂和有机醇溶剂对金属氧化物材料的形貌结构和表面性质的调控作用,采用表面活性剂辅助法和有机醇溶剂辅助法改性合成了铜锰氧化物催化剂。聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)表面活性剂辅助合成的催化剂的CO吸附能力和CO催化氧化性能得到了提高。有机醇溶剂辅助合成的催化剂具有较高的比表面积和总孔体积,采用乙醇、乙二醇和丙三醇等醇溶剂辅助合成的催化剂可在30℃实现CO完全转化。(4)研究了水汽对铜锰氧化物催化剂性能影响,初步探索了疏水性铜锰氧化物的合成方法。采用疏水气凝胶负载法和聚二乙烯基苯包覆的方法合成了疏水性的铜锰氧化物催化剂,并研究了疏水处理对催化剂形貌结构和催化性能的影响。采用疏水气凝胶负载法和聚乙烯基苯包覆的方法改性后的铜锰氧化物催化剂具有一定的疏水结构,在CO催化氧化反应中表现出一定的催化活性,分别可在110℃和180℃实现CO的完全转化。
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