Au-Ag/SBA-15催化剂的制备及其对CO催化氧化性能的研究

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CO是空气中的重要的污染物之一,且氢气中微量CO的存在严重影响了燃料电池的应用推广,低温(甚至常温)催化氧化法是去除CO的有效措施之一,因此开发高效常温CO催化氧化催化剂成为了目前的研究热点。本论文利用两步法制备AuxAg8.x/SBA-15催化剂,系统地考察了Au/Ag摩尔比、煅烧温度、还原温度、颗粒粒径等对催化剂活性影响,并利用ICP-AES、氮气吸脱附、UV-vis、XRD、XPS、TEM等表征技术深入研究催化剂结构变化与活性的关联,从而获得常温具有较好活性的CO催化氧化性能的催化剂。本论文主要研究内容及实验结果如下所示:(1)两步法制备低负载量的AuxAg8_x/SBA-15催化剂,考察Au/Ag摩尔比对CO催化氧化活性的影响。研究发现,Au/Ag摩尔比极大地影响了催化剂活性,当Au/Ag实际摩尔比为5.4/1时,Au6.0Ag2.0/SBA-15催化剂对CO催化氧化活性最高,CO完全转化温度为20℃,而在同样条件下单金属Au8.0/SBA-15和Ag8.0/SBA-15催化剂对CO转化率分别只有40%和2%。由此可以看出,Au-Ag/SBA-15双金属催化剂在CO氧化过程中表现出较强的协同效应。虽然双金属的负载量只有0.34-1.32wt.%,但催化剂却表现出了与文献报道的催化剂如Au-Ag/A1-MCM-41(7.83wt.%), Au-Ag/SiO2-Al2O3(2.20wt.%), Au-Ag/TiO2(4.70wt.%)和Au-Ag/SiO2(5.56wt.%)活性相当或者更好的催化活性。(2)系统考察不同煅烧温度(100-700℃)对Au6.0Ag2.0/SBA-15催化剂的结构以及CO催化氧化活性的影响。研究发现,当煅烧温度由100℃升高到500℃时,催化剂活性明显增强;当煅烧温度升高到600℃和700℃后,催化剂活性开始下降。进一步研究发现,催化剂中氨基基团在经过500℃煅烧处理后能被完全去除,并且载体上双金属粒子粒径小且分散均匀;而600~700℃煅烧引起了双金属粒子的严重聚集,从而导致了催化剂对CO催化氧化活性的降低。(3)系统考察氢气不同温度处理对Au6.0Ag2.0/SBA-15催化剂的结构以及CO催化氧化活性的影响。研究发现,未经过还原的样品基本没有活性,经过氢气400℃还原处理后催化剂活性大大增强;随着还原温度增加到500~600℃时,催化剂活性达到最高;当还原温度继续增加至700℃时,催化剂活性开始下降。进一步研究发现,氢气还原会引起催化剂表面金和银的重新分配,经过500~600℃时还原后的催化剂,催化剂表面Au/Ag摩尔比更接近整体值,形成均质金银合金。当还原温度过高时(>600℃),银纳米颗粒会重新聚集在催化剂表面,并且引起颗粒发生严重聚集,从而导致活性降低。(4)通过选择性修饰SBA-15孔道内外羟基,制备不同粒子尺寸的Au-Ag/SBA-15双金属催化剂,并初步考察粒子尺寸与CO低温催化活性之间的关系。研究发现,CO催化氧化性能强烈依赖于粒子大小,CO催化氧化活性随着Au-Ag双金属粒子粒径的减小而提高,当双金属粒子平均尺寸为3.1nm时,CO可在15℃时可完全转化,当粒子尺寸提高到6.4nm时,CO完全转化的温度提高到了30℃。
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