固相法制备氧化物催化剂及其催化甲苯完全氧化

论文摘要

随着政府、社会和公众对环境保护的要求越来越高,如何处理工业生产尾气中的挥发性有机物（VOCs）成为环保方面研究的热点。催化燃烧技术作为最有效的处理有机废气的方法受到了研究者的重视,开发高效、廉价催化剂是相关研究亟待解决的一个问题。贵金属催化剂虽然活性好,但是高昂的价格大大限制了它的应用,过渡金属氧化物催化剂作为贵金属催化剂的替代物引起了大家的关注。本文从改进催化剂制备方法以提高催化剂活性的角度出发,研究了简单、高效、低能耗的固相法在氧化物催化剂的制备中的应用,我们通过室温固相法制备了Co3O4、CeO2、Mn2O3,通过高能球磨法制备制备了铜钴复合氧化物,在催化甲苯完全氧化时均表现出很好的活性。具体如下：1、固相法制备四氧化钴催化剂及其催化甲苯完全氧化Co3O4是被广泛应用的催化剂,在催化氧化、电化学、传感器等方面有重要的应用。我们采用室温固相反应制备了Co3O4的前驱体,经过一定温度的焙烧,得到了纳米Co3O4,本方法过程简单,能耗低,环境友好。与常规的沉淀法、柠檬酸络合-燃烧法相比,固相法制备得到的Co3O4催化剂粒径小、表面缺陷较多、表面Co-O键较弱、表面吸附氧丰富,具有更好的活化氧的能力,表现出更好的催化甲苯完全氧化活性。催化剂前驱体的焙烧温度对催化剂的活性有很大影响,400℃C焙烧时催化剂的性能最优。对催化剂进行了60小时的老化测试,在230℃甲苯的转化率始终保持在95%以上。2、固相法制备氧化铈催化剂及其催化甲苯完全氧化氧化铈在催化中有非常广泛的应用,既可以作为催化剂助剂,也可以作为主要的活性组分,还是很好的催化剂载体。我们采用固相法制备的纳米氧化铈在催化甲苯的完全氧化反应中表现出了非常好的活性,BET、XRD、Raman、SEM、H2-TPR等表征表明,固相法制备得到的Ce02催化剂粒径小、表面缺陷较多、表面吸附氧丰富,活化氧的能力强。前驱体的焙烧温度对催化剂的活性有很大影响,500℃焙烧时催化剂的性能最优。对催化剂进行的100小时的老化表明,在215℃C甲苯的转化率始终保持在95%以上。3、固相法制备氧化锰催化剂及其催化甲苯完全氧化我们采用与前面相同的固相法制备得到了Mn203催化剂,与柠檬酸络合-燃烧法和沉淀法制备的锰氧化物相比,固相法制备得到的Mn203催化剂粒径小、表面缺陷较多、低温氧化还原性能好,具有更好的活化氧的能力,所以催化甲苯完全氧化的能力更强。同时,催化剂前驱体的焙烧温度对锰催化剂的活性有很大影响,3500C焙烧时催化剂的性能最优,同时前驱体已经分解完全,在246℃就可以达到95%的甲苯转化率。4、高能球磨法制备铜钴复合氧化物及其催化甲苯完全氧化高能球磨法利用球磨机的高速震动和转动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌,从而使粉末颗粒产生塑性形变、颗粒内产生大量的缺陷,在颗粒的接触面达到局部高温诱发化学反应发生,这样得到的复合氧化物即处于纳米范畴之内,同时又在表面富集有很多缺陷位,为反应提供了活性中心。我们通过高能球磨法制备得到铜钴复合氧化物催化剂,与传统的共沉淀法相比,高能球磨法制备的催化剂活性更好,6小时碾磨制备的催化剂,在2220C时甲苯的转化率就可以达到50%,230℃时甲苯的转化率超过95%。通过表征表明高能球磨法制备的催化剂晶粒较小、表面缺陷丰富,这都有利于甲苯的完全氧化的反应。稳定性测试表明,固相法制备的催化剂的抗老化能力也更强。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 甲苯废气的处理技术
• 1.2.1 物理方法
• 1.2.2 生物方法
• 1.2.3 化学方法
• 1.3 催化燃烧技术
• 1.4 用于甲苯完全氧化的催化剂
• 1.4.1 贵金属催化剂
• 1.4.2 金属氧化物催化剂
• 1.5 固相化学反应在纳米材料合成中的应用
• 1.5.1 固相反应的机理
• 1.5.2 低热固相反应的特点
• 1.5.3 球磨法固相反应的特点
• 1.5.4 固相反应在合成催化材料中的应用
• 1.6 本论文的研究意义和主要内容
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 化学试剂与气体
• 2.2 催化剂的活性评价
• 2.3 催化剂的表征
• 2.3.1 X射线粉末衍射
• 2 adsorption/desorption isotherm）'>2.3.2 氮气等温吸附/脱附测量（N₂ adsorption/desorption isotherm）
• 2.3.3 红外（FI-IR）测试
• 2.3.4 扫描电子显微镜
• 2.3.5 拉曼（Raman）测试
• 2.3.6 XPS测试
• 2-TPR测试'>2.3.7 H₂-TPR测试
• 第三章 固相法制备纳米四氧化三钴及其催化甲苯完全氧化性能
• 3.1 引言
• 3.2 催化剂的合成
• 3.3 催化剂的表征
• 3.4 催化性能与讨论
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 固相法制备纳米氧化铈及其催化甲苯完全氧化性能
• 4.1 引言
• 4.2 催化剂的合成
• 4.3 催化剂的表征
• 4.4 催化性能与讨论
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 固相法制备纳米氧化锰及其催化甲苯完全氧化性能
• 5.1 前言
• 5.2 锰氧化物的制备
• 5.3 催化剂的表征
• 5.4 催化剂的活性与讨论
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 高能球磨法制备铜钴复合氧化物及其催化甲苯完全氧化的活性和表征
• 6.1 引言
• 6.2 铜钴复合氧化物的制备
• 6.3 铜钴复合氧化物的表征
• 6.4 铜钴复合氧化物的催化活性和稳定性
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 研究总结与展望
• 个人简历
• 硕士期间发表论文及专利
• 致谢