钙钛矿型氧化物用于典型小分子气体污染物的催化脱除及其反应机理研究
发布时间：2022-02-24 04:32
消除大气环境中污染物气体已经迫在眉睫,催化净化技术是将污染物气体定向、高效的转化为无害的便于处理的物质,该方法通过加入催化剂,改变了反应历程,降低了反应的活化能。钙钛矿氧化物由于其具有优异的氧化还原性能、能够容纳广泛的活性离子以及优异的热稳定性等优点,被广泛的应用于污染物气体催化脱除研究中。本论文针对特定的小分子气体污染物开发出高效的脱除的钙钛矿催化剂,针对相应的催化反应机理,结合原位红外和密度泛函理论详细研究了中间物种、目标产物的生成过程并确定速控步骤。本论文的研究结果如下:1、本论文合成了一系列LaFeO3,La2Cu2O4以及Cu掺杂的钙钛矿LaB0.8Cu0.2O3（B = Fe,Co和Mn）并将其应用于丙烯腈的选择性催化燃烧反应中。利用XRD,N2吸脱附实验,H2-TPR,XPS等表征手段关联了钙钛矿结构与丙烯腈催化燃烧反应的活性与N2选择性的构效关系。经研究...
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 丙烯腈选择性催化燃烧
1.2.1 丙烯腈的来源、危害以及处理方法
1.2.2 丙烯腈选择性催化燃烧反应性能研究进展
1.2.3 丙烯腈选择性催化燃烧反应机理研究进展
1.3 氨气选择性催化氧化
1.3.1 氨气的来源、危害以及处理方法
1.3.2 氨气选择性催化氧化反应性能研究进展
1.3.3 氨气选择性催化氧化反应机理研究进展
1.4 含氧碳氢化合物选择性催化还原氮氧化物
1.4.1 氮氧化物的来源、危害以及处理方法
1.4.2 含氧碳氢化合物选择性催化还原氮氧化物反应性能研究进展
1.4.3 含氧碳氢化合物选择性催化还原氮氧化物反应机理研究进展
1.5 挥发性有机物甲苯催化氧化
1.5.1 甲苯的来源、危害以及处理方法
1.5.2 甲苯催化氧化反应性能研究进展
1.5.3 甲苯催化氧化反应机理研究进展
1.6 钙钛矿型复合氧化物催化剂
1.6.1 钙钛矿型复合氧化物催化剂的结构特征
1.6.2 钙钛矿型复合氧化物制备方法研究进展
1.7 钙钛矿型复合氧化物催化脱除小分子气体污染物研究进展
1.7.1 CO低温氧化体系
1.7.2 CH_4高温催化燃烧体系
1.7.3 挥发性有机物(VOCs)氧化体系
1.7.4 碳氢化合物选择性催化还原NO_x体系(HCs-SCR)
1.8 本论文的主要研究内容
第二章 实验部分
2.1 催化剂的合成
2.1.1 试剂与仪器
2.1.2 催化剂合成方法
2.2 催化剂的表征
2.2.1 理化性质表征(XRD、BET、ICP-OES以及TEM)
2.2.2 氧化还原性能表征(H_2-TPR)
2.2.3 表面元素分析表征(XPS)
2.2.4 反应物吸脱附性能表征(NH_3-TPD和NO/O_2-TPD)
2.2.5 氧同位素交换性能表征(O~(18)-Isotopic)
2.2.6 原位红外漫反射光谱表征(In-situ DRIFT)
2.3 催化剂的反应性能测试
2.3.1 丙烯腈选择性催化燃烧性能测试
2.3.2 氨气选择性催化氧化性能测试
2.3.3 甲醇选择性催化还原NO_x性能测试
2.3.4 甲苯催化氧化性能测试
2.4 密度泛函理论(DFT)对反应机理的研究
2.4.1 计算方法与计算参数
2.4.2 计算模型
第三章 Cu掺杂钙钛矿用于丙烯腈催化燃烧性能与反应机理研究
3.1 Cu掺杂钙钛矿型氧化物理化性质结果与讨论
3.1.1 Cu掺杂钙钛矿型氧化物的XRD与BET结果与讨论
3.1.2 Cu掺杂钙钛矿型氧化物的氧化还原性能结果与讨论
3.1.3 Cu掺杂钙钛矿型氧化物的表面元素结果与讨论
3.2 Cu掺杂钙钛矿型氧化选择性催化燃烧丙烯腈活性测试
3.2.1 丙烯腈转化率及各产物产率随温度变化
3.2.2 丙烯腈催化燃烧抗水抗硫性能
3.3 原位红外技术分析丙烯腈催化燃烧的反应机理
3.3.1 在LaFeO_3表面的丙烯腈氧化原位红外研究
3.3.2 在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3表面的丙烯腈氧化原位红外研究
3.4 基于量化计算DFT研究Cu的掺杂对反应路径的影响
3.4.1 丙烯腈分子在LaFeO_3和LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的吸附
3.4.2 LaFeO_3上中间物种和终产物的生成机理
3.4.3 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上中间物种和终产物的生成机理
3.4.4 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上抗H_2O以及SO_2中毒机理
3.5 小结
第四章 Fe基钙钛矿用于氨气选择性催化氧化性能与反应机理研究
4.1 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3物理化性质结果与讨论
4.1.1 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的TEM结果与讨论
4.1.2 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的XRD与BET结果与讨论
4.1.3 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的NH_3-TPD结果与讨论
4.1.4 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的H_2-TPR结果与讨论
4.1.5 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的XPS结果与讨论
4.2 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3的NH_3-SCO活性测试
4.2.1 NH_3-SCO催化性能随温度变化
4.2.2 NH_3-SCO长周期催化性能
4.2.3 Pd的掺杂量对NH_3-SCO催化性能的影响
4.3 原位红外技术分析氨氧化的反应机理
4.3.1 LaFeO_3的NH_3-SCO催化反应机理
4.3.2 LaFe_(0.95)Pd_(0.05)O_3的NH_3-SCO催化反应机理
4.4 基于量化计算DFT研究Pd的掺杂对反应路径的影响
4.4.1 Cu和Pd的掺杂对表面结构的影响
4.4.2 LaFeO_3上NH_3-SCO反应中间物种和终产物的生成机理
4.4.3 LaFe_(0.95)Pd_(0.05)O_3上NH_3-SCO反应中间物种和终产物的生成机理
4.5 小结
第五章 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3用于甲醇选择性催化还原NO_x性能与反应机理研究
5.1 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3理化性质结果与讨论
5.1.1 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3的XRD与BET结果与讨论
5.1.2 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3的H_2-TPR结果与讨论
5.2 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3的CH_3OH-SCR反应活性
5.2.1 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3的CH_3OH-SCR反应结果与讨论
5.2.2 Ag/Al_2O_3的CH_3OH-SCR反应结果与讨论
5.3 利用程序升温脱附和原位红外分析CH_3OH-SCR反应机理
5.3.1 在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3上的NO/O_2-TPD结果与讨论
5.3.2 在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的原位红外结果与讨论
5.3.3 在Ag/Al_2O_3上的原位红外结果与讨论
5.4 基于DFT分析在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的CH_3OH-SCR反应路径
5.4.1 Cu的掺杂对Fe基钙钛矿结构的影响
5.4.2 O_2,NO以及CH_3OH在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的吸附与活化
5.4.3 CH_3OH+NO反应生成N_2机理
5.5 小结
第六章 LaCoO_3基钙钛矿用于甲苯催化氧化研究
6.1 A、B位离子掺杂对甲苯催化氧化性能的影响
6.1.1 A、B位离子掺杂材料的XRD与BET结果与讨论
6.1.2 A、B位离子掺杂材料的H_2-TPR结果与讨论
6.1.3 A、B位离子掺杂材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.2 Mn的掺杂量对甲苯催化氧化性能的影响
6.2.1 掺杂不同量Mn材料的XRD与BET结果与讨论
6.2.2 掺杂不同量Mn材料的H_2-TPR结果与讨论
6.2.3 掺杂不同量Mn材料的XPS结果与讨论
6.2.4 掺杂不同量Mn材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.3 Pd和Mn的存在状态对甲苯催化氧化性能的影响
6.3.1 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的XRD与BET结果与讨论
6.3.2 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的H_2-TPR结果与讨论
6.3.3 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的XPS结果与讨论
6.3.4 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.4 酸碱处理对甲苯催化氧化性能的影响
6.4.1 酸碱处理LaCoO_3材料的XRD与BET结果与讨论
6.4.2 酸碱处理LaCoO_3材料的H_2-TPR结果与讨论
6.4.3 酸碱处理LaCoO_3材料的XPS结果与讨论
6.4.4 酸碱处理LaCoO_3材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.5 小结
第七章 结论
参考文献
致谢
研究成果以及所发表的学术论文
作者和导师简介
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]环保部印发《国家环境保护标准“十三五”发展规划》[J]. 纸和造纸. 2017(03)
[2]低温等离子体处理工业废气中甲苯的研究进展[J]. 杨茜,易红宏,唐晓龙,杨仲禹,王亚恩,崔晓旭. 安全与环境工程. 2017(01)
[3]中国大气PM2.5污染的主要成因与控制对策[J]. 曹军骥. 科技导报. 2016(20)
[4]低浓度有毒有害气体净化技术及研究进展[J]. 郭霞,李伯阳,莫文锐,杨建宇,冯辉. 环境科学导刊. 2016(S1)
[5]北京市PM2.5理化特性及燃煤对大气污染的研究进展[J]. 赵洪宇,阮海卫,史晨雪,高戈武,闫晨光,舒新前. 环境工程. 2015(12)
[6]制备方法对LaMn0.8Mg0.2O3钙钛矿型氧化物催化甲烷燃烧反应性能的影响（英文）[J]. 朱琳琳,卢冠忠,王艳芹,郭耘,郭杨龙. 催化学报. 2010(08)
[7]铜取代和制备方法对LaMnO3±δ结构和催化甲烷燃烧和CO氧化的影响（英文）[J]. Maryam ABDOLRAHMANI,Matin PARVARI,Mehdi HABIBPOOR. 催化学报. 2010(04)
[8]三维有序大孔钙钛矿LaFeO3催化剂的制备及其催化炭黑颗粒燃烧性能[J]. 徐俊峰,刘坚,赵震,张桂臻,段爱军,姜桂元,徐春明. 催化学报. 2010(02)
[9]丙烯腈装置废液焚烧炉的燃烧控制[J]. 朱宏毅. 石油化工自动化. 2005(06)
硕士论文
[1]钙钛矿上含氧有机物选择性催化脱除NO的研究[D]. 薛荣荣.北京化工大学 2013
本文编号：3641983
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 丙烯腈选择性催化燃烧
1.2.1 丙烯腈的来源、危害以及处理方法
1.2.2 丙烯腈选择性催化燃烧反应性能研究进展
1.2.3 丙烯腈选择性催化燃烧反应机理研究进展
1.3 氨气选择性催化氧化
1.3.1 氨气的来源、危害以及处理方法
1.3.2 氨气选择性催化氧化反应性能研究进展
1.3.3 氨气选择性催化氧化反应机理研究进展
1.4 含氧碳氢化合物选择性催化还原氮氧化物
1.4.1 氮氧化物的来源、危害以及处理方法
1.4.2 含氧碳氢化合物选择性催化还原氮氧化物反应性能研究进展
1.4.3 含氧碳氢化合物选择性催化还原氮氧化物反应机理研究进展
1.5 挥发性有机物甲苯催化氧化
1.5.1 甲苯的来源、危害以及处理方法
1.5.2 甲苯催化氧化反应性能研究进展
1.5.3 甲苯催化氧化反应机理研究进展
1.6 钙钛矿型复合氧化物催化剂
1.6.1 钙钛矿型复合氧化物催化剂的结构特征
1.6.2 钙钛矿型复合氧化物制备方法研究进展
1.7 钙钛矿型复合氧化物催化脱除小分子气体污染物研究进展
1.7.1 CO低温氧化体系
1.7.2 CH_4高温催化燃烧体系
1.7.3 挥发性有机物(VOCs)氧化体系
1.7.4 碳氢化合物选择性催化还原NO_x体系(HCs-SCR)
1.8 本论文的主要研究内容
第二章 实验部分
2.1 催化剂的合成
2.1.1 试剂与仪器
2.1.2 催化剂合成方法
2.2 催化剂的表征
2.2.1 理化性质表征(XRD、BET、ICP-OES以及TEM)
2.2.2 氧化还原性能表征(H_2-TPR)
2.2.3 表面元素分析表征(XPS)
2.2.4 反应物吸脱附性能表征(NH_3-TPD和NO/O_2-TPD)
2.2.5 氧同位素交换性能表征(O~(18)-Isotopic)
2.2.6 原位红外漫反射光谱表征(In-situ DRIFT)
2.3 催化剂的反应性能测试
2.3.1 丙烯腈选择性催化燃烧性能测试
2.3.2 氨气选择性催化氧化性能测试
2.3.3 甲醇选择性催化还原NO_x性能测试
2.3.4 甲苯催化氧化性能测试
2.4 密度泛函理论(DFT)对反应机理的研究
2.4.1 计算方法与计算参数
2.4.2 计算模型
第三章 Cu掺杂钙钛矿用于丙烯腈催化燃烧性能与反应机理研究
3.1 Cu掺杂钙钛矿型氧化物理化性质结果与讨论
3.1.1 Cu掺杂钙钛矿型氧化物的XRD与BET结果与讨论
3.1.2 Cu掺杂钙钛矿型氧化物的氧化还原性能结果与讨论
3.1.3 Cu掺杂钙钛矿型氧化物的表面元素结果与讨论
3.2 Cu掺杂钙钛矿型氧化选择性催化燃烧丙烯腈活性测试
3.2.1 丙烯腈转化率及各产物产率随温度变化
3.2.2 丙烯腈催化燃烧抗水抗硫性能
3.3 原位红外技术分析丙烯腈催化燃烧的反应机理
3.3.1 在LaFeO_3表面的丙烯腈氧化原位红外研究
3.3.2 在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3表面的丙烯腈氧化原位红外研究
3.4 基于量化计算DFT研究Cu的掺杂对反应路径的影响
3.4.1 丙烯腈分子在LaFeO_3和LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的吸附
3.4.2 LaFeO_3上中间物种和终产物的生成机理
3.4.3 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上中间物种和终产物的生成机理
3.4.4 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上抗H_2O以及SO_2中毒机理
3.5 小结
第四章 Fe基钙钛矿用于氨气选择性催化氧化性能与反应机理研究
4.1 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3物理化性质结果与讨论
4.1.1 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的TEM结果与讨论
4.1.2 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的XRD与BET结果与讨论
4.1.3 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的NH_3-TPD结果与讨论
4.1.4 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的H_2-TPR结果与讨论
4.1.5 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3钙钛矿的XPS结果与讨论
4.2 Cu、Pd掺杂Fe基钙钛矿和负载Al_2O_3的NH_3-SCO活性测试
4.2.1 NH_3-SCO催化性能随温度变化
4.2.2 NH_3-SCO长周期催化性能
4.2.3 Pd的掺杂量对NH_3-SCO催化性能的影响
4.3 原位红外技术分析氨氧化的反应机理
4.3.1 LaFeO_3的NH_3-SCO催化反应机理
4.3.2 LaFe_(0.95)Pd_(0.05)O_3的NH_3-SCO催化反应机理
4.4 基于量化计算DFT研究Pd的掺杂对反应路径的影响
4.4.1 Cu和Pd的掺杂对表面结构的影响
4.4.2 LaFeO_3上NH_3-SCO反应中间物种和终产物的生成机理
4.4.3 LaFe_(0.95)Pd_(0.05)O_3上NH_3-SCO反应中间物种和终产物的生成机理
4.5 小结
第五章 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3用于甲醇选择性催化还原NO_x性能与反应机理研究
5.1 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3理化性质结果与讨论
5.1.1 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3的XRD与BET结果与讨论
5.1.2 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3的H_2-TPR结果与讨论
5.2 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3的CH_3OH-SCR反应活性
5.2.1 LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3的CH_3OH-SCR反应结果与讨论
5.2.2 Ag/Al_2O_3的CH_3OH-SCR反应结果与讨论
5.3 利用程序升温脱附和原位红外分析CH_3OH-SCR反应机理
5.3.1 在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3和Ag/Al_2O_3上的NO/O_2-TPD结果与讨论
5.3.2 在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的原位红外结果与讨论
5.3.3 在Ag/Al_2O_3上的原位红外结果与讨论
5.4 基于DFT分析在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的CH_3OH-SCR反应路径
5.4.1 Cu的掺杂对Fe基钙钛矿结构的影响
5.4.2 O_2,NO以及CH_3OH在LaFe_(0.8)Cu_(0.2)O_3上的吸附与活化
5.4.3 CH_3OH+NO反应生成N_2机理
5.5 小结
第六章 LaCoO_3基钙钛矿用于甲苯催化氧化研究
6.1 A、B位离子掺杂对甲苯催化氧化性能的影响
6.1.1 A、B位离子掺杂材料的XRD与BET结果与讨论
6.1.2 A、B位离子掺杂材料的H_2-TPR结果与讨论
6.1.3 A、B位离子掺杂材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.2 Mn的掺杂量对甲苯催化氧化性能的影响
6.2.1 掺杂不同量Mn材料的XRD与BET结果与讨论
6.2.2 掺杂不同量Mn材料的H_2-TPR结果与讨论
6.2.3 掺杂不同量Mn材料的XPS结果与讨论
6.2.4 掺杂不同量Mn材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.3 Pd和Mn的存在状态对甲苯催化氧化性能的影响
6.3.1 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的XRD与BET结果与讨论
6.3.2 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的H_2-TPR结果与讨论
6.3.3 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的XPS结果与讨论
6.3.4 不同形态的Pd和Mn掺杂/负载材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.4 酸碱处理对甲苯催化氧化性能的影响
6.4.1 酸碱处理LaCoO_3材料的XRD与BET结果与讨论
6.4.2 酸碱处理LaCoO_3材料的H_2-TPR结果与讨论
6.4.3 酸碱处理LaCoO_3材料的XPS结果与讨论
6.4.4 酸碱处理LaCoO_3材料的甲苯催化氧化性能结果与讨论
6.5 小结
第七章 结论
参考文献
致谢
研究成果以及所发表的学术论文
作者和导师简介
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]环保部印发《国家环境保护标准“十三五”发展规划》[J]. 纸和造纸. 2017(03)
[2]低温等离子体处理工业废气中甲苯的研究进展[J]. 杨茜,易红宏,唐晓龙,杨仲禹,王亚恩,崔晓旭. 安全与环境工程. 2017(01)
[3]中国大气PM2.5污染的主要成因与控制对策[J]. 曹军骥. 科技导报. 2016(20)
[4]低浓度有毒有害气体净化技术及研究进展[J]. 郭霞,李伯阳,莫文锐,杨建宇,冯辉. 环境科学导刊. 2016(S1)
[5]北京市PM2.5理化特性及燃煤对大气污染的研究进展[J]. 赵洪宇,阮海卫,史晨雪,高戈武,闫晨光,舒新前. 环境工程. 2015(12)
[6]制备方法对LaMn0.8Mg0.2O3钙钛矿型氧化物催化甲烷燃烧反应性能的影响（英文）[J]. 朱琳琳,卢冠忠,王艳芹,郭耘,郭杨龙. 催化学报. 2010(08)
[7]铜取代和制备方法对LaMnO3±δ结构和催化甲烷燃烧和CO氧化的影响（英文）[J]. Maryam ABDOLRAHMANI,Matin PARVARI,Mehdi HABIBPOOR. 催化学报. 2010(04)
[8]三维有序大孔钙钛矿LaFeO3催化剂的制备及其催化炭黑颗粒燃烧性能[J]. 徐俊峰,刘坚,赵震,张桂臻,段爱军,姜桂元,徐春明. 催化学报. 2010(02)
[9]丙烯腈装置废液焚烧炉的燃烧控制[J]. 朱宏毅. 石油化工自动化. 2005(06)
硕士论文
[1]钙钛矿上含氧有机物选择性催化脱除NO的研究[D]. 薛荣荣.北京化工大学 2013
本文编号：3641983
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