介孔CuO纳米片的制备、表征及其催化氧化CO性能研究

发布时间：2020-08-24 10:26

【摘要】：CO作为化石能源不完全燃烧所产生的污染物,不仅污染环境,而且危害人体健康。目前常见的CO治理方法主要有吸附法、光催化法、热催化法三种。吸附法存在多次使用后性能不稳定、容易产生二次污染;光催化法由于光催化剂只能被紫外可见光激发,使得光能利用率低;热催化法由于大多使用贵金属催化剂限制了其大规模应用。近年来,发展的光致热催化法结合了光催化法和热催化法的优点,既利用了清洁可再生的太阳能又降低了热催化法过程中所需的大量能耗,是一种切实可行的CO治理方法。所以,开发一种廉价且能高效催化CO的催化剂具有重大意义。基于此,本文在60 ℃、80 ℃、90 ℃制备了CuO纳米片(分别表示为CuO-60、CuO-80、CuO-90),并研究了三者的热催化氧化污染物CO的性能。在室温25 ℃下制备了CuO介孔纳米片(表示为CuO-MNS),研究了CuO-MNS对CO热催化、光热催化性能,催化剂催化活性影响因素以及催化原理。主要研究内容和结果如下:(1)以CuSO_4·5H_2O、氨水、NaOH为原料,分别在60 ℃、80 ℃、90 ℃恒温水浴锅中反应制得CuO纳米片,分别表示为CuO-60、CuO-80、CuO-90。研究发现,水浴反应温度对所制备的CuO纳米片热催化氧化CO活性有重要影响。随着反应温度的提高,所制备CuO纳米片的热催化氧化CO活性降低。比较了三者暗态条件下热催化活性,活性顺序为CuO-60CuO-80CuO-90。CO-TPR实验表明,三者晶格氧活性顺序为CuO-60CuO-80CuO-90。故暗态下热催化活性顺序为CuO-60CuO-80CuO-90。三者在光照条件下的热催化活性明显强于暗态条件下热催化活性,CO-TPR和O_2-TPO证明光照加速了CuO作为催化剂催化CO反应的第二个步骤,所以使得光照条件下的热催化活性强于暗态条件下热催化活性。(2)以CuSO_4·5H_2O、氨水、NaOH为原料,采用简单的方法在25 ℃恒温水浴锅内反应制得CuO介孔纳米片(表示为CuO-MNS)。CuO-MNS在Xe灯全太阳光谱下对CO有着非常高效的光热催化活性和优异的光热催化稳定性。与商用非介孔CuO和TiO_2(P25)相比,CuO-MNS在Xe灯照射下的光热催化活性分别增强了19.8和88.7倍。在相同光强的UV-vis-IR Xe灯照射下,CuO-MNS的光热催化活性是传统光催化剂P25光热催化活性的331倍。即使在λ830 nm的红外光下,CuO-MNS仍然表现出高效的光热催化活性。(3)研究发现,CuO-MNS在Xe灯照射下高效的光热催化活性来源于太阳光驱动的热催化。催化机理研究发现,CuO-MNS高效的光致热催化活性来源于:样品吸收光能以后,由于光热转换效应,吸收的光能迅速转化为热能使样品温度达到催化反应起燃点温度(T_(light-off))而引发的热催化反应。通过CO程序升温还原(CO-TPR)实验、拉曼光谱和密度泛函理论计算(DFT)证明了介孔的形成显著的提高了CuO晶格氧的活性和活跃晶格氧的数目,有助于CuO热催化活性的明显增强。研究证明,不同于目前已知的光催化剂TiO_2的催化机理,我们发现了一种新型的CuO-MNS太阳光驱动CO催化氧化的光活化机理。通过CuO-MNS在暗态和Xe灯照射下的CO程序升温还原(CO-TPR)、O_2程序升温氧化(O_2-TPO)实验结合CuO-MNS在基态和激发态的DFT计算揭示了这种新型光活化的起源:Xe灯照射显著的提高了预还原CuO-MNS的再氧化过程,进而增强了CuO-MNS的催化活性。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X701;O643.36;TB383.1
【图文】：

X衍射图谱,通论,氙灯光源,活性测试

其他步骤和实验条件分别对应 CO-TPR化活性测试如下：在 WFS-2015 固定床在线反应色谱装置的连接可透光石英窗，CHF-XM500 氙灯光源系统置于石英窗上方以保证光照时光线能准确照0125 g 的样品用石英棉固定到反应管式炉中的端留空，以气流流速为 40 mL·min 1，样将由一定比例的 5 vol% CO/He 和 20.8 vol% O2混合气体通入反应器并阶梯逐点控温驱动样品入上海华爱公司的 GC-9560 气相色谱装置，通论

孔径分布,N2吸附,脱附等温线,孔径分布

2-3 图可以看到，在 CuO-60、CuO-80、CuO-90 纳米片上存在许多微小的2-4表明CuO-60暴露最多的晶面是{-1 1 1}晶面，晶格间距为0.252 nm，Cu露最多的晶面是{1 1 0}晶面，晶格间距为 0.275 nm，CuO-90 暴露最多的晶{-1 1 1}晶面，晶格间距是 0.252 nm。.3 N2吸附脱附分析

孔径分布,脱附等温线,N2吸附,孔径分布

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