多孔LaFeO3的硬模板制备及其对一氧化碳和甲苯氧化的催化性能研究

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工业生产和交通运输所排出的CO和大部分的VOCs污染大气环境,危害人身健康,因此迫切需求严格控制CO和VOCs的排放。催化氧化法是最有效消除CO和VOCs的途径之一,其关键在于获得高效催化剂。尽管负载贵金属催化剂具有优异的低温催化活性,但是高昂的价格限制了其广泛应用。钙钛矿型氧化物对CO和VOCs氧化反应具有优良的高温催化活性,而钙钛矿型氧化物制成多孔结构,可以增大比表面积和表面活性位,有利于反应物分子的吸附与活化,从而改善催化性能。因此,研发对CO和VOCs氧化反应显示优良低温催化活性的具有多孔结构和高比表面积的钙钛矿型氧化物催化剂的制备方法具有重要的学术意义和实用价值。本论文采用超声波辅助的硬模板法制备了多孔结构的正交晶相LaFeO3(LFO)催化剂,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选择区域电子衍射(SAED)、氮气吸附-脱附(BET)、X射线光电子能谱(XPS)和氢气程序升温还原(H2-TPR)等技术表征了催化剂的物化性质,评价了其对CO和甲苯氧化反应的催化活性。论文取得以下研究结果:(1)以硝酸镧和硝酸铁为金属源,以乙醇的水溶液为溶剂,以KIT-6、SiO2球、CMK-1和碳球为硬模板,采用超声波辅助的重复浸渍法分别制备了具有蠕虫状介孔结构的正交相LFO-1和LFO-2催化剂以及具有粒子堆积大孔结构的正交相LFO-3和LFO-4催化剂。(2)在制备过程中采用不同的硬模板所得目标产物的比表面积、表面吸附氧浓度和低温还原性均存在差异。(3)以KIT-6和SiO2纳米球为硬模板所制得的LFO-1和LFO-2催化剂的比表面积较大(分别为138m2/g和65m2/g),而以CMK-1和碳球为硬模板所制得的LFO-3和LFO-4催化剂的比表面积较低(为1215m2/g)。(4)在所制得的LFO催化剂中,LFO-1催化剂具有最大的比表面积、最高表面氧吸附浓度和最好的低温还原性。催化剂中的铁均以Fe4+和Fe3+形式存在。(5)在CO浓度为1vol%、CO/O2摩尔比为1/20和SV为20000mL/(g h)以及甲苯浓度为1000ppm、甲苯/O2摩尔比为1/400和SV为20000mL/(g h)的反应条件下,具有多孔结构的LFO催化剂的活性均高于体相催化剂的,其中LFO-1催化剂的活性最高:对于CO氧化反应,其T10%、T50%和T90%(对应于转化率达到10%、50%和90%时的反应温度)分别为125oC、155oC和180oC;对于甲苯氧化反应,其T10%、T50%和T90%分别为130oC、200oC和253oC。(6)根据表征结果和催化活性数据,我们认为,较大的比表面积、较高的吸附氧浓度和较好的低温还原性以及发达的蠕虫状介孔结构是使LFO-1催化剂对CO和甲苯氧化反应显示出优良催化活性的主要影响因素。
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