论文部分内容阅读
CO2既是一种温室气体,也是丰富而廉价的C1资源,利用CO2加氢合成甲醇反应既可以帮助人类实现CO2资源化利用,又能够在一定程度上缓解人类目前所面临的能源紧缺问题,是绿色环保、经济有效的节能减排手段。甲醇是一种重要的清洁燃料,同时也是化工产业重要的平台化合物,在化工产业链中具有重要的实用价值。(类)钙钛矿型复合金属氧化物因其特殊的结构性能及优异的物理化学性能而被广泛关注。该类材料良好的结构稳定性、活性位点分散性及多样的元素调变性能促使该类铜基催化剂在CO2加氢合成甲醇反应过程中表现出良好的催化性能。因此,本论文以铜基(类)钙钛矿型复合金属氧化物为催化剂前驱体,用于CO2加氢合成甲醇反应的研究。系统地研究了元素取代、结构元素含量以及不同钙钛矿结构对催化剂的表面物理化学性能及CO2加氢合成甲醇反应的影响。具体研究内容包括以下几个方面: (1)以Ce、Y、Zn、Mg元素部分取代含铜典型钙钛矿催化剂前驱体A位的La元素,制得了一系列A位掺杂型钙钛矿催化剂。系统详细的结构性能表征结果表明:典型钙钛矿结构(LaMnO3)具有很强的结构稳定性,A位元素的适量掺杂能够引起其空间结构扭曲,结构中出现更多缺陷,利于反应原料的吸附活化,并造成B位上的铜元素一定程度的溢出。掺杂后的钙钛矿催化剂具有更好的还原性能,更好的低温H2吸脱附性能以及更强的弱碱性位点。Zn的掺杂因其产生了对反应有利的Cu+-O-Zn2+位点而表现出最好的催化性能。反应的CO2转化率与催化剂单位比表面积上H2的脱附量呈同一变化趋势,CH3OH产物的选择性与催化剂弱碱性位碱强度呈线性关系。 (2)将Mg、 Ce、Y、Zr引入铜锌类钙钛矿(La2CuO4)结构中,得到了相应的A位掺杂型类钙钛矿催化剂前驱体,对其进行了一系列物理化学性能表征以及固定床活性评价。结果表明:所制备的材料均以La2CuO4类钙钛矿晶体结构为主相,掺杂元素进入结构后会造成类钙钛矿晶体结构的空间扭曲,但并不会导致结构坍塌。Y的掺杂对钙钛矿材料整体的各项性能没有明显的提高。Ce、Mg、 Zr的引入能够提高催化剂的铜分散度、减小颗粒尺寸、增强材料的还原性能、增加材料的低温脱氢量、改善催化剂表面碱性,从而提高催化剂整体催化性能。催化剂反应的CO2转化率与催化剂铜比表面积呈同一变化趋势,而反应的甲醇选择性则与类钙钛矿材料结构中形成的特殊价态铜物种(Cuα+)相关。类钙钛矿催化剂在反应应用过程中表现出优异的甲醇选择性。同时,类钙钛矿型铜基催化剂具有良好的结构稳定性和热稳定性能,在长周期评价过程中,其反应的CO2转化率和甲醇选择性在300小时评价过程中没有明显降低。 (3)调变催化剂中Mn/Zn比例,实现了材料结构中典型钙钛矿结构与类钙钛矿结构的共混。当材料中La、Mn、Cu共同存在时,LaMnO3典型钙钛矿结构和La2CuO4类钙钛矿结构在材料结构中共存。LaMnO3的生成对La2CuO4结构起到一定的支撑作用,Zn的引入不会破坏材料的钙钛矿结构。所制备的催化剂通过还原过程能够实现铜元素在其他金属氧化物上的高度分散。Mn的引入和结构中LaMnO3物相的增加造成结构中的氧缺陷位减少,从而导致材料对H2和CO2的吸附性能下降。 (4)通过调变钙钛矿结构中Cu/Zn比例,研究材料的结构性能和催化剂性能的变化。结果发现,制备的所有催化剂均以LaMnO3的钙钛矿晶相为主相,加入Cu元素后出现La2CuO4的类钙钛矿晶相结构。两种钙钛矿结构共存的材料表现出更小的颗粒尺寸。铜元素能够实现在该材料中的良好结构分散。材料结构中Cu与Zn之间的相互作用,促使材料的还原性能发生改变。同时,两种钙钛矿晶相共存体系表现出更好的H2吸脱附性能以及合适的碱性强度,从而使材料表现出更好的催化活性。 (5)采用并流共沉淀法制备了一系列的含La、Cu、Zn元素的催化剂,考察了焙烧温度对催化剂性能的影响,研究发现:共沉淀所制备的材料在773 K下焙烧形成的结构中Cu元素只以CuO形式存在,而当焙烧温度高于823 K时,样品结构中的Cu元素主要存在于La2CuO4类钙钛矿结构中,并伴随少许CuO物种的存在。La2CuO4类钙钛矿结构的形成造成比表面积严重下降,而结构中ZnO物种与La2CuO4物种的融合度随着焙烧温度的升高而提高。随着焙烧温度的升高,样品中的La2CuO4类钙钛矿结构从无到有,然后趋于完善;样品的低温脱氢性能提高,碱性增强。随着焙烧温度的升高,反应的CO2转化率下降,甲醇选择性提高。含有La2CuO4类钙钛矿结构的催化剂因Cuα+的存在而表现出更好的甲醇选择性。