负载型磁性过渡金属氧化物在NO+CO反应中的催化性能研究

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过渡金属氧化物因为具有价格、催化活性优异、环境污染性较小等特性,所以一直被视为能够在催化领域代替贵金属的热门材料而被广泛研究;而磁性材料则被视为良好的催化剂载体,在其上负载其他活性优异的过渡金属氧化物之后,既能保证催化活性,又能够通过磁性特质对使用过的催化剂进行方便快捷的回收。本文选用了最常见的磁性材料γ-Fe2O3作为载体,在此基础上引入其他过渡金属氧化物,通过扫描电子显微镜(SEM),高倍透射电子显微镜(HRTEM),X射线衍射(XRD),H2程序升温还原(H2-TPR),X射线光电子能谱(XPS),原位红外(in situ DRIFTS)等手段对复合过渡金属氧化物(MxOy/γ-Fe2O3)催化剂进行了表征,旨在探究不同催化性能与其各自形貌构造、电子转移情况和氧化还原能力之间的联系,并根据以上表征结果尝试探讨催化剂催化NO+CO反应的机理。使用水热法在低温条件下制备了具有铁磁性的γ-Fe2O3固体粉末,并在此基础上通过共沉淀法合成了一系列以γ-Fe2O3为载体的过渡金属氧化物催化剂,包括Ce O2、Co3O4、Cu O和Ni O。通过上述表征可知,当Ce O2负载在γ-Fe2O3上之后,具有较强的催化性能,这主要是因为它们两者之间发生了相互作用,使得电子在它们之间进行转移,从而影响了催化剂整体的活性;而Cu O与γ-Fe2O3的复合催化剂样品在150℃以下的催化性能更为优异,这主要是因为Cu O与γ-Fe2O3复合之后,显著提高了整体的氧化性,使其能够在更低的温度下参与催化反应过程。另外,上述所有样品作为催化剂在参与NO+CO反应时,整体表现为L-H机理。使用相同的方法制备了一系列不同比例的Co3O4/γ-Fe2O3,发现Co3O4活性组分负载于γ-Fe2O3载体上的复合催化剂具有比之前更为良好的活性,当两种金属氧化物的比例为4:9时,催化活性最为优异,原因有:1)两种金属氧化物存在共同沿着(330)晶面生长的部分,形成了更多的缺陷;2)两种金属氧化物的电子转移相互作用使表面具有许多氧空位,并且提升了催化剂的氧化还原能力;此外,对催化剂进行磁化后,在低温段的活性变得比之前更好,这是由于催化剂的磁场可以在微观层面吸附额外的顺磁性气体分子,提高催化剂的性能。Ni O、Co3O4活性组分负载与γ-Fe2O3载体上的复合催化剂有良好的活性,当三种金属氧化物的质量比例为4:33:49时,对NO+CO反应的催化效果最好,经过磁化之后,又进一步增强了催化剂的催化性能,这主要是因为:1)两种金属氧化物的电子转移相互作用使表面具有许多氧空位,并且提升了催化剂的氧化还原能力;2)对催化剂进行磁化后,在低温段催化剂的磁场可以在反应气氛下吸附额外的顺磁气体NO。
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