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挥发性有机化合物(VOCs)作为我国空气和环境的污染物之一,严重危害人类的身心健康。催化氧化法可以快速且有效的将VOCs转化为无污染物质,其中催化剂的选择十分重要,可用的催化剂包括贵金属催化剂和非贵金属催化剂。贵金属催化剂相比于非贵金属催化剂具有高的催化氧化活性,但其价格较贵,不适用于企业的大规模生产。近年来,关于非贵金属催化剂应用于催化乙醇氧化反应的研究报道很少,因此研发出具有高活性和高稳定性的非贵金属催化体系已在该催化领域中被重点关注。
水滑石(LDH)具有层状结构,层板上有金属阳离子,其电性显示为正,层间有带负电荷的阴离子,层间阴离子可以被交换成其他类型的阴离子。水滑石在一定温度下焙烧后具有较好的催化性能,且具有诸如高金属负载、高热稳定性、可控酸碱性能和高金属分散等显著性能,因此有望将含有活性组分的水滑石焙烧产物应用于乙醇氧化反应中。但是水滑石焙烧后比表面积较小,吸附氧气的量较少,且容易导致活性组分团聚,因此可以通过改性前驱体来改变焙烧后催化剂的性能。
乙醇(一种广泛使用的溶剂)是VOCs的一种,是常用的汽油燃料添加剂,但是汽车尾气中未燃烧的乙醇和不完全燃烧产生的乙醛对环境造成了污染。因此本文将非贵金属氧化物NiO、CuO作为活性组分制备不同硅系阴离子插层的Ni-Al LDH和Ni-Cu-Al LDH前驱体,进而通过焙烧制备所需要的催化剂,探究前驱体中插层阴离子及层板上阳离子的种类和含量对于焙烧后催化剂结构和性能的影响,进而探究对于乙醇催化氧化反应的影响,从而提高催化乙醇氧化反应的活性,减少副产物的产生,降低对于空气的污染,论文研究的主要内容和结果如下:
1.采用共沉淀回流法,以TEOS的水解产物作为前驱体Ni-Al LDH层间插层阴离子的来源,合成了不同n(TEOS/Al)含量的TEOS水解产物插层Ni-Al LDH,并于500℃焙烧合成催化剂,各表征结果表明TEOS水解产物进入Ni-Al LDH层间,且插层阴离子的引入改变了焙烧后催化剂的性能。将其应用乙醇深度氧化反应并进行分析。结果表明:前驱体Ni-Al LDH层间TEOS水解产物的引入提高了焙烧后催化剂在反应中的催化活性,其中催化剂n(TEOS/Al)=2中前驱体层间适量TEOS水解产物的引入改变层板上的金属离子与层间阴离子的相互作用,进而使得焙烧产物的催化效果最优,乙醇转化率为95%,CO2选择性为93%。
2.采用共沉淀水热法,以Na2SiO3作为硅酸根离子插层的来源,合成不同含量SiO32-插层的Ni-Al水滑石。结果表明:层间适量SiO32-的引入可以改变前驱体中层板上的金属离子与层间阴离子的相互作用,使得焙烧产物中活性氧化性物种NiO的数量增多且易被还原;使得催化剂的比表面积增大,其中活性成分NiO的分散性提高;以及更高含量的弱酸可以减少CO的吸附,进而有利于提高催化乙醇氧化的性能。在500℃下催化乙醇氧化,Ni-Al-SiO32-LDH(n(Si/Al)=1.5)的焙烧产物作为催化剂能有效除去乙醇且使得其转化为CO2,其中乙醇转化率为98%,CO2选择性为97%。
3.采用共沉淀水热法,以Na2SiO3作为插层SiO32-的来源,合成了层板上不同n(Ni/Cu)含量的SiO32-插层Ni-Cu-Al LDH,于550℃焙烧制得催化剂。在固定床反应器上考察了焙烧产物对于乙醇深度氧化反应的催化活性。结果表明:硅酸根离子插层Ni-Cu-Al LDH的焙烧产物在乙醇深度氧化反应中表现出良好的催化活性,对于n(Ni/Cu)=2.0催化剂来说,前驱体Ni-Al LDH中层板上Cu2+的引入改变了层板上金属离子的相互作用及其与层间阴离子的相互作用,焙烧产物中双金属氧化物NiO、CuO协同作用,使得活性氧化性物质易于被还原且活性还原性物质的数量增加,产生了更高含量的弱酸及少量的中强酸和强酸,丰富了催化剂表面酸的种类,进而提高了焙烧后催化剂在反应中的催化活性,使其催化性能在较低温度下有了很大提高,其中反应温度为300℃时乙醇转化率达到了99%,CO2选择性达到了99%。
水滑石(LDH)具有层状结构,层板上有金属阳离子,其电性显示为正,层间有带负电荷的阴离子,层间阴离子可以被交换成其他类型的阴离子。水滑石在一定温度下焙烧后具有较好的催化性能,且具有诸如高金属负载、高热稳定性、可控酸碱性能和高金属分散等显著性能,因此有望将含有活性组分的水滑石焙烧产物应用于乙醇氧化反应中。但是水滑石焙烧后比表面积较小,吸附氧气的量较少,且容易导致活性组分团聚,因此可以通过改性前驱体来改变焙烧后催化剂的性能。
乙醇(一种广泛使用的溶剂)是VOCs的一种,是常用的汽油燃料添加剂,但是汽车尾气中未燃烧的乙醇和不完全燃烧产生的乙醛对环境造成了污染。因此本文将非贵金属氧化物NiO、CuO作为活性组分制备不同硅系阴离子插层的Ni-Al LDH和Ni-Cu-Al LDH前驱体,进而通过焙烧制备所需要的催化剂,探究前驱体中插层阴离子及层板上阳离子的种类和含量对于焙烧后催化剂结构和性能的影响,进而探究对于乙醇催化氧化反应的影响,从而提高催化乙醇氧化反应的活性,减少副产物的产生,降低对于空气的污染,论文研究的主要内容和结果如下:
1.采用共沉淀回流法,以TEOS的水解产物作为前驱体Ni-Al LDH层间插层阴离子的来源,合成了不同n(TEOS/Al)含量的TEOS水解产物插层Ni-Al LDH,并于500℃焙烧合成催化剂,各表征结果表明TEOS水解产物进入Ni-Al LDH层间,且插层阴离子的引入改变了焙烧后催化剂的性能。将其应用乙醇深度氧化反应并进行分析。结果表明:前驱体Ni-Al LDH层间TEOS水解产物的引入提高了焙烧后催化剂在反应中的催化活性,其中催化剂n(TEOS/Al)=2中前驱体层间适量TEOS水解产物的引入改变层板上的金属离子与层间阴离子的相互作用,进而使得焙烧产物的催化效果最优,乙醇转化率为95%,CO2选择性为93%。
2.采用共沉淀水热法,以Na2SiO3作为硅酸根离子插层的来源,合成不同含量SiO32-插层的Ni-Al水滑石。结果表明:层间适量SiO32-的引入可以改变前驱体中层板上的金属离子与层间阴离子的相互作用,使得焙烧产物中活性氧化性物种NiO的数量增多且易被还原;使得催化剂的比表面积增大,其中活性成分NiO的分散性提高;以及更高含量的弱酸可以减少CO的吸附,进而有利于提高催化乙醇氧化的性能。在500℃下催化乙醇氧化,Ni-Al-SiO32-LDH(n(Si/Al)=1.5)的焙烧产物作为催化剂能有效除去乙醇且使得其转化为CO2,其中乙醇转化率为98%,CO2选择性为97%。
3.采用共沉淀水热法,以Na2SiO3作为插层SiO32-的来源,合成了层板上不同n(Ni/Cu)含量的SiO32-插层Ni-Cu-Al LDH,于550℃焙烧制得催化剂。在固定床反应器上考察了焙烧产物对于乙醇深度氧化反应的催化活性。结果表明:硅酸根离子插层Ni-Cu-Al LDH的焙烧产物在乙醇深度氧化反应中表现出良好的催化活性,对于n(Ni/Cu)=2.0催化剂来说,前驱体Ni-Al LDH中层板上Cu2+的引入改变了层板上金属离子的相互作用及其与层间阴离子的相互作用,焙烧产物中双金属氧化物NiO、CuO协同作用,使得活性氧化性物质易于被还原且活性还原性物质的数量增加,产生了更高含量的弱酸及少量的中强酸和强酸,丰富了催化剂表面酸的种类,进而提高了焙烧后催化剂在反应中的催化活性,使其催化性能在较低温度下有了很大提高,其中反应温度为300℃时乙醇转化率达到了99%,CO2选择性达到了99%。