钴锰基催化剂的设计制备及其在苯燃烧反应中的研究

发布时间：2020-06-03 19:07

【摘要】：本论文中通过简单高效的制备方法合成钴锰催化剂并探究其在苯燃烧反应中的表现,期望利用简单有效的方法制备合成低成本、高活性和高稳定性的催化剂。试验制备了不同摩尔比例CoxMny催化剂、在不同温度下焙烧的Co2Mn1催化剂,并且对Co2Mn1催化剂进行了Ce的掺杂修饰,进一步开展以Co2Mn1催化剂为活性组分的整体式催化剂的研究。并对制备合成的催化剂的催化活性和相关性质进行测试表征,分析了催化剂在苯燃烧反应中表现出不同催化活性的原因。主要研究结果如下:(1)首先采用了共沉淀法制备了不同摩尔比例CoxMny催化剂,比较其对苯燃烧反应的催化活性,筛选得到Co2Mn1催化剂。然后进一步在不同温度下焙烧得到一系列Co2Mn1催化剂。分别利用XRD、SEM、TEM和BET对Co2Mn1催化剂的晶相结构、形貌结构和比表面积等进行了表征;利用H_2-TPR和O_2-TPD探究了Co2Mn1催化剂的氧化还原能力;利用XPS和TG-DTA分析了Co2Mn1催化剂的表面化学组成和热稳定性;同时探究了空速的影响和催化剂的稳定性。结果表明Co2Mn1系列催化剂是典型的尖晶石型结构固溶体,呈现片状形貌,Mn元素在Co_3O_4中高度分散。Co2Mn1系列催化剂具有较高的活性和稳定性。而且焙烧温度对Co2Mn1系列催化剂的催化性能影响较大,300℃焙烧得到的Co2Mn1催化剂性能最佳,在空速为30,000mL/(g·h)、苯浓度为1000 ppm时,T_(10%)和T_(90%)分别为149℃和191℃,且其在240℃连续反应36小时后性能保持不变。Co2Mn1(T300)良好的催化性能与其尖晶石结构、片状形貌、高的低温氧化还原能力等有关。(2)为继续提高Co2Mn1催化剂的性能,用Ce掺杂修饰Co2Mn1催化剂,制备了一系列含有Ce含量的Co2Mn1催化剂。Ce的含量为8.6 wt%~55.2 wt%。通过对比这些Ce掺杂的Co2Mn1催化性能,发现当Ce的含量较低(低于25 wt%)时,能够提高Co2Mn1催化剂的催化性能。但Ce的掺杂浓度高于55 wt%时,则会破坏Co2Mn1尖晶石结构,从而导致催化效果下降。研究中利用多种测试表征手段对Co-Ce-Mn催化剂的物化性质进行表征,发现Ce的掺杂在促进晶格氧的流动性、增加表面吸附氧浓度等方面具有一定的贡献。(3)为促进粉末材料应用于实际工况中,选取堇青石为载体,采用均匀高分散涂覆技术制备了由Co2Mn1(T300)作为活性组分的整体式催化剂。通过向Co2Mn1的浆料中引入粘结剂拟薄水铝石,并合理调控浆料的pH值,促进Co2Mn1在堇青石载体孔道中的“锚定”。研究中固定固含量(拟薄水铝石和Co2Mn1总的含量)为40%,当活性组分Co2Mn1(T300)的含量为12.5 wt%时,获得的整体式催化剂活性涂层厚度均匀,负载量约为25%(相对于载体质量)。粘附性实验表明,整体式催化剂置于乙醇超声处理3小时后,脱落率小于3%(相对于活性组分质量),主要归因于活性组分与载体之间的强相互作用。在对苯的燃烧反应测试中,Co2Mn1(T300)整体式催化剂表现出了较高的活性,在空速为120,000 mL/(g·h)时,300℃即可将苯(1000 ppm)完全转化。36小时的稳定性测试也表明整体式催化剂具有较高的稳定性。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;TQ038.3

【参考文献】