氧化铈形貌调控、改性及负载Pd催化剂的低浓甲烷催化性能研究

发布时间：2019-07-25 08:28

【摘要】：近几年,温室效应已引起了人们的广泛关注,由此引发的环境问题也日益严重,因此,降低温室气体的排放是解决此问题的有效途径。除CO_2外,CH4也被认为是重要的温室气体之一,并且甲烷的温室效应是CO_2的21-23倍,因此,由甲烷排放引起的环境问题不容忽视。我国煤炭资源丰富,在煤矿开采中会排放出大量的煤层气(主要成分是CH4),同时,排放出大量煤矿乏风,其中所含CH4浓度极低(0.1%-1.0 vol.%),但是70%的甲烷来源于此,这不仅造成了能源资源的浪费,更重要的是对环境造成了严重的威胁。因此,合理地利用煤矿乏风中的低浓度甲烷是解决此类问题的有效途径。目前,有效的利用技术就是甲烷的催化氧化,关键的问题就是制备出具有高活性和高稳定性的甲烷氧化催化剂。氧化铈拥有独特的氧化还原性能和高的储放氧能力,在催化领域中展示了重要的应用价值。并且氧化铈材料的形貌和结构对催化剂的性能也有重要的影响。因此,本论文通过水热法合成了具有不同形貌和结构的氧化铈,系统研究了其负载Pd催化剂的低浓度甲烷催化氧化性能,阐述了氧化铈形貌和结构的影响,建立了载体结构与催化剂性能之间的联系。主要研究工作和结论如下:(1)合成了由纳米矩形块自组装成具有梯度型微结构的八面体形貌的氧化铈,利用XRD、SEM、TEM、N2吸脱附等表征技术对样品进行了分析,研究了八面体氧化铈负载Pd催化剂的低浓度甲烷催化氧化性能。结果表明,在连续的甲烷催化反应中,八面体氧化铈独特的梯度型微结构有利于抑制活性组分pd纳米颗粒的聚集,进而提高了pd催化剂的热稳定性。(2)合成了具有层状微结构的八面体形貌氧化铈(loc),对其形貌和结构进行了分析,研究了pd/loc催化剂的性能和反应动力学;研究了金属pd负载量,金属氧化物掺杂种类(zro2,nio和co3o4),zro2含量以及反应空速对催化剂性能的影响。结果表明,氧化铈的独特结构暴露了(110)晶面,其性能要优于普通八面体暴露的(111)晶面,且存在非化学计量氧化铈(CeO_2-x);通过优化pd负载量,发现loc负载pd催化剂显示了较高的活性和稳定性;通过引入客体金属氧化物(zro2),进一步改善了pd/loc的催化性能,且当zro2的掺杂量为5wt.%时,催化性能最佳;反应动力学也进一步证实了此催化剂具有较低的活化能,为85.40kjmol-1。此外,0.5wt.%pd/loc-5wt.%zr催化剂在连续变化的空速下,表现出较高的低温活性和热稳定性。(3)合成了微球形和纳米管氧化铈,通过表征分析,考察了氧化铈形貌对pd/CeO_2催化剂性能的影响。结果发现,氧化铈微球具有短孔道结构,暴露的(100)晶面和非化学计量氧化铈CeO_2 x;催化剂的性能强烈地依赖于CeO_2载体的形貌,即微球形氧化铈负载pd催化剂的性能优于纳米管氧化铈负载pd催化剂的性能。(4)利用碱土金属改性,进一步增加了纳米管氧化铈负载pd催化剂的甲烷催化性能,考察了pd负载量,碱土金属种类和添加量以及催化剂焙烧温度对催化剂性能的影响。研究表明,甲烷转化率随着催化剂pd负载量的增加而增加;通过加入碱土金属ca,进一步优化了甲烷催化氧化性能,其t90%的温度降低了54°c,且当pd/ca的摩尔比例为1:0.5时,pdca/CeO_2催化剂的性能最好,其最佳焙烧温度为450°C。
【图文】：

图 1-1 TFRR 运行原理图[29]Figure 1-1 The schematic illustration of thermal flow reversal reactor[29]式煤矿乏风催化氧化反应器(CFRR)R 技术和 TFRR 的运行原理和结构是相似的，如图 1-2 所示[29]，，其主

氧化铈形貌调控、改性及负载Pd催化剂的低浓甲烷催化性能研究

图 1-2 CFRR 运行原理图[29]Figure 1-2 The schematic illustration of catalytic flow reversal reactor[29]式催化氧化反应器(CMR)R 顾名思义就是一种具有蜂窝状结构的整体式催化反应器，这个整体
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

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