过渡金属氧化物上CO自持催化燃烧性能及反应机理研究

来源 :天津科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:litao2006
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转炉炼钢放散煤气中含有大量高浓度CO,目前的CH4燃烧处理技术不仅浪费能源,增加CO2排放,还会产生NOx二次污染物。CO自持催化燃烧技术是一种高效安全且减少能耗的无焰燃烧处理技术。过渡金属氧化物催化剂高效廉价,作为贵金属催化剂的潜在代替品,在CO自持催化燃烧方面具有相当大的研究价值。本文以铜和钴两种过渡金属的氧化物为主要研究对象,深入探究它们对CO自持燃烧的催化性能与反应机理,研究结果可为转炉炼钢尾气的处理提供更多理论基础。主要成果如下:(1)利用液相合成-过量浸渍法,制备出不同形貌Ce O2/Cu2O反相催化剂,考察了不同暴露晶面的形貌效应与Cu-Ce界面效应对催化活性的影响。结果表明,Ce O2/Cu2O-8(1 1 1)在形貌效应和Cu-Ce界面效应双重作用下表现出最卓越的CO自持催化性能,T90为185℃,与无负载Cu2O-8相比降低了30℃。这主要是因为(11 1)晶面上含有不饱和配位Cu+且它的界面效应最强。结合XRD、XPS、H2-TPR、O2/CO-TPD表征结果,Ce O2/Cu2O-8(1 1 1)的高催化活性可归因于催化剂表面Cu+、Ce3+与氧空位含量最高,且低温还原性最好,对O2与CO的吸附能力最强。Cu-Ce界面效应可减少催化剂结晶度,使其发生晶格畸变并产生氧空位,促进了催化活性。此外,原位红外实验和动力学结果证明反应符合Mars-van Krevelen(M-K)机理,CO线性吸附在Cu+上与晶格氧反应生成CO2。(2)利用溶胶凝胶法,制备出改性La0.9M0.1Co O3(M=Ce,Sr)钙钛矿催化剂,考察了葡萄糖加入和Ce/Sr元素掺杂对催化活性的影响。结果表明,两种方法皆可显著提升催化活性。葡萄糖在焙烧过程中创造还原性氛围并夺走催化剂中的氧原子,产生更多氧空位和Co3+,而Ce/Sr元素的掺杂也可形成晶格缺陷以产生氧空位。在所有催化剂中,LCCO-G具有最好的催化活性并成功实现CO自持燃烧。结合XPS、H2-TPR、O2/CO-TPD结果,更高浓度的Co3+、Ce3+和氧空位是LCCO-G催化剂具有高效催化活性的主要原因。原位红外实验和动力学实验结果证明催化反应遵循Langmuir-Hinshelwood(L-H)机理,单齿碳酸盐是重要中间产物。此外,LCCO-G可长时间在760℃高温下保持100%转化率,具有可靠的高温耐久性。
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