负载型OMS-2和α-MnO2催化氧化性能的研究

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挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,简称VOCs)是大气污染物的主要来源,其中苯系物是VOCs的代表性气体,研究发展消除苯系物的技术将对VOCs的去除具有重要的指导意义。目前,最有效的消除VOCs的方法是深度催化氧化法,其能将VOCs充分转化为无污染的CO2和H2O,并在催化氧化多组分、低浓度的VOCs方面更显示出良好的催化性能。负载型贵金属催化剂,在催化氧化VOCs气体方面表现出很高的催化效率,被认为是消除VOCs最有效的催化剂。因此,研究负载型贵金属催化剂的性能,对其催化机理进行探讨,具有非常重要的现实意义。CO是一种常见的大气污染物,主要源于含碳物质的不完全燃烧。CO的催化氧化反应是催化研究中的基础课题,对于CO的研究,有助于进一步探讨催化机理。CO自身的催化氧化,也为消除大气污染气体做出重要贡献。为了进一步研究和讨论负载贵金属催化剂的催化性能,本文进行了以下研究并根据实验结果得出结论。通过前掺杂法(QI),浸渍法(IM)和沉积-沉淀法(DP)三种方法制备了一系列OMS-2负载Au和Pt催化剂,采用沉积-沉淀法在不同条件下制备了-MnO2负载Au催化剂。利用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)等技术表征了其物化性质,评价了负载型OMS-2催化剂对CO及-MnO2对苯和甲苯的催化氧化反应的活性,得到了以下主要研究结论:(1)三种方法制备的催化剂中,沉积-沉淀法制备的Au/OMS-2-DP催化剂活性明显高于前掺杂法和浸渍法制备的催化剂,这与Au/OMS-2-DP催化剂比表面积较大和负载Au颗粒较小有关。进一步研究表明,制备条件(沉淀剂种类、制备溶液pH、Au负载量和催化剂焙烧温度)明显影响Au/OMS-2-DP催化剂的催化活性。对于各种不同的沉淀剂,以KOH为沉淀剂制备的催化剂活性最高,这可能与其无钝化作用,而且形成的Au颗粒较小有关;制备溶液的pH以9为最佳,当pH过高或过低时,容易导致Au颗粒的聚集和Au沉淀量减少;XRD结果表明,当Au负载量为5wt%和催化剂焙烧为300℃时,所制备的催化剂颗粒最小,所得的催化剂活性最高。通过本研究筛选的最佳条件制备的Au/OMS-2-DP催化剂活性较好,CO完全转化(100%)的温度仅为67℃。(2)沉积-沉淀法制备的Pt/OMS-2-DP催化剂活性最好(T100=100℃)。这与Pt/OMS-2-DP催化剂中Pt颗粒大小及OMS-2载体与Pt之间存在强相互作用有关。Pt负载量明显影响Pt/OMS-2-DP催化剂的催化活性,3Pt/OMS-2-DP催化剂(Pt=3.0wt%)催化活性最高,这是由于适当的Pt负载量时,负载的Pt颗粒较小,并与载体OMS-2的相互作用较强,能较好地活化OMS-2晶格氧。pH值对Pt/OMS-2-DP催化剂催化性能影响较大,这与OMS-2的等电点和Pt在不同溶液中存在不同Pt配位体形式有关。(3)沉积-沉淀法制备了-MnO2负载Au催化剂xAu/-MnO2(x=1.0wt%~7.0wt%)。XRD结果表明,负载Au对-MnO2载体结构影响不大,但对其晶粒大小和比表面积略有影响。随Au含量的增加,-MnO2结晶度增强,颗粒增大,Au颗粒明显增大。XPS结果表明,随着Au负载量的增加,xAu/-MnO2的晶格氧(O2-)、Mn4+和Au3+的浓度在增加。H2-TPR结果表明,由于贵金属的溢氢作用,Au明显促进xAu/-MnO2还原能力,其中3Au/-MnO2还原性能最强。负载Au的量明显影响xAu/-MnO2的催化性能,xAu/-MnO2的催化性能与Au的颗粒分散性、低温还原性能及表面氧物种密切相关,其中3Au/-MnO2显示出最佳活性,其催化氧化苯和甲苯的T100分别为280℃和250℃。
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