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催化燃烧是一种高效率、低污染的能源利用和工业废尾气处理技术,而催化燃烧技术的关键在于催化剂的制备。本文作者以堇青石蜂窝陶瓷为骨架载体、γ-Al2O3作为过渡涂层、铈钇氧化物复合涂层作为第二载体,选用不同的贵金属盐(硝酸钯、醋酸钯、氯化钯),通过水溶液浸渍法和溶胶浸挂法负载贵金属活性组分,成功制备出六种负载钯整体式催化剂,分别标记为PN、PAC、PCL、PN-sol、PAC-sol和PCL-sol。并采用XRD、SEM、ICP、BET和XPS等方法对催化剂的结构进行了表征。同时,以甲烷催化燃烧为模型反应考察了催化剂的催化活性和动力学特征。 研究结果表明:采用氯化钯溶液作为前驱体,在强酸体系中采用水溶液浸渍法负载贵金属制备的整体式催化剂,涂层结合强度低,开裂、脱落现象严重。通过调节pH值降低酸度等方法,有效地降低酸性体系对涂层的腐蚀,涂层均匀,与基体结合牢固。在采用溶胶浸挂法负载贵金属制备整体式催化剂的过程中,焙烧温度选择500℃是比较合适的。 在相同的钯前驱体浓度的情况下,六种整体式催化剂甲烷燃烧催化活性从高到低的顺序如下:PN-sol>PAC-sol>PN>PAC>PCL≈PCL-sol,说明溶胶挂胶法制备的催化剂的催化活性都优于相应的水溶液浸渍法制备的。值得注意的是,采用溶胶浸挂法制备的催化剂上Pd的实际负载量约0.1mass%,远低于水溶液浸渍法制备的(0.2-0.3mass%),可大大减少贵金属Pd的用量。因此,溶胶浸挂法是一种比水溶液浸渍法更先进实用的制备整体式催化剂的方法。 不同活性源以及制备方法对于整体式催化剂表面物种及催化性能具有重要影响。XPS检测到PN-sol催化剂表面PdO活性相和Pd相共存,而PN催化剂表面只有PdO相。两相共存保证了Pd和PdO间自催化反应,因而PN-sol催化剂展现出最优异的催化活性。PAC和PAC-sol两种催化剂表面都含有适量的PdO活性相,这保证了PAC和PAC-sol具有比较好的催化活性,然而,PAC-sol催化剂的Pd3d5/2和Pd3d3/2结合能都低于PAC催化剂的,因而前者具有更好的催化活性。不管是PCL还是PCL-sol两种催化剂都不含PdO活性相,只含有PdO2非活性相,使得催化剂催化活性都较差,含氯的钯盐不适合作为前驱体制备整体式催化剂。 对甲烷在六组催化剂上的催化燃烧反应进行的动力学分析表明:在工程计算上,把甲烷催化燃烧当成一级反应是可靠的;甲烷在PN-sol催化剂上催化燃烧的反应活化能最小(11036.75J/mol),催化燃烧反应最容易进行,因而催化活性最高(T10%=290℃,T90%=421℃)。