熔融盐法制备Pt/TiO2催化剂及其消除VOCs性能

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挥发性有机物(VOCs)污染大气环境,危害人体健康。有效控制和减少VOCs排放具有重大意义。催化氧化技术具有净化效率高、能耗低且无二次污染的特点,其核心在于研发高性能的催化剂。熔融盐法是一种操作简单和条件温和的制备功能材料的方法。在本文中,我们采用原位熔融盐法制备了TiO2负载贵金属Pt催化剂和掺杂Ce、V或W的0.05 wt%Pt/TiO2催化剂,对其催化甲苯(或丙酮)氧化的性能(活性、稳定性、抗水性、抗硫中毒性等)进行了考察,主要结论为:熔融盐体系和焙烧温度对催化剂活性有一定的影响。以Ti(SO42为钛源,在NaNO3和NaF体系中,经300 oC煅烧得到的TiO2催化氧化甲苯的活性较好。在此条件下,以H2PtCl6为铂源,制得不同Pt负载量的x wt%Pt/TiO2(x=0-4.14)催化剂。载体TiO2为四方晶相锐钛矿结构,形貌为不规则的块状,大小约为200nm,Pt粒子高度分散在载体表面。Pt的引入促进了TiO2表面晶格氧的还原,使还原峰向低温方向移动。在丙酮(或甲苯)浓度为1000 ppm,丙酮/氧气或甲苯/氧气的摩尔比为1/400和空速为40000 mL/(g h)的反应条件下,催化活性都随着Pt负载量的不断增加而提高,其中活性较好的催化剂为4.14 wt%Pt/TiO2,丙酮的T50%和T90%(丙酮转化率达到50%和90%所需要的反应温度)分别为172和195 oC;而丙酮在0.05 wt%Pt/TiO2催化剂上的T50%和T90%分别为236和274 oC。Ce、V和W掺杂之后,0.05 wt%Pt/TiO2催化氧化丙酮的活性得到了提高。对于Ce掺杂的0.05 wt%Pt/TiO2催化剂来说,当CeO2的含量从0增加到0.57 wt%时,催化活性逐渐提高,当CeO2的含量从0.57 wt%增加到1.61 wt%时,催化活性反而下降。0.57 wt%CeO2-0.05 wt%Pt/TiO2催化剂相比于0.54 wt%V2O5-0.05wt%Pt/TiO2和0.55 wt%WO3-0.05 wt%Pt/TiO2催化剂具有较高的表面吸附氧浓度,其催化活性较好,丙酮的T50%和T90%分别为212 oC和245 oC。此外,其抗水、抗CO2和抗硫性能也得到了改善。当反应气中分别存在20 vol%水蒸气、10vol%CO2或者100 ppm SO2时,丙酮转化率仍可达85%,70%和60%。催化剂抗硫性能的改善归因于Ce、V或W的掺杂增加了表面酸性位的数量,抑制了酸性SO2的吸附;Ce2(SO43或VOSO4的形成消耗了部分SO2,抑制了Ti(SO42或TiOSO4的生成,而WO3改性的催化剂则抑制了SO2的氧化反应。丙酮在0.57 wt%CeO2-0.05 wt%Pt/TiO2催化剂上完全氧化的过程大致包括:气态丙酮分子吸附在催化剂的表面,然后丙酮部分氧化为甲酸盐物种;随着反应温度的不断升高,甲酸盐物种变为碳酸盐物种,最后中间物种被完全氧化为CO2和H2O。
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