La-Co氧化物制备及其催化氧化甲烷研究

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通风空气甲烷,俗称“乏风”,由于浓度低,排放量大造成了严重的环境污染问题。甲烷的催化燃烧可以在相对较低的温度下转化轻烃,降低污染物排放,燃烧效率比较高。LaCoO3氧化物具有优异的热稳定性、电子迁移率和氧化还原能力,使其在多相催化领域获得了广泛关注。但是LaCoO3制备过程需要高温焙烧,易造成颗粒团聚,导致其催化活性较低。本文旨在通过表面改性、结构调控、组分调控三方面入手来制备大比表面积、强氧化还原能力的高性能La-Co氧化物。1)利用溶胶凝胶法成功制备了碱土金属Mg掺杂和涂覆的LaCo1-xMgxO3、LaCoO3@MgO-y(x,y=0.1,0.2,0.3)催化剂。通过调控表面酸碱性质探究Mg改性的LaCoO3催化剂对甲烷催化性能的影响。MgO壳纳米结构引起LaCoO3表面酸碱性位点的数量和分布发生较大变化,改变了甲烷在LaCoO3表面的吸附能力及其催化反应途径。当涂覆或掺杂10%Mg时,催化剂具有最好的甲烷催化性能。对LaCoO3@MgO-0.1催化剂进行稳定性实验,经100h依然保持着良好的催化性能。2)以溶胶凝胶法制备的LaCoO3为前驱体,利用水热法制备了过渡金属Co、Fe改性的LaCoO3-x Co(x=0-20%)和LaCoO3-y Fe(y=1-10%)催化剂,记为LC-x Co和LC-y Fe。通过在水热过程添加金属离子促使LaCoO3晶体重新结晶,并同步实现其微观结构调控。当添加2%Co、7%Fe时,LC-2Co和LC-7Fe催化剂具有最好的甲烷催化性能。两种催化剂的比表面积、孔容孔径以及表面晶格氧和Co2+含量均显著提高,较大程度提升了甲烷催化性能。3)以溶液燃烧法制备的LaCoO3为前驱体,利用低共熔溶剂(DES)辅助的水热法制备了La-Co复合催化剂,其物相组成为LaCoO3/La2O2CO3/Co3O4三相,记为LC-DES-x h(x=2,4,6h)。当制备条件为水热6h、水热温度230℃、溶剂添加量为5mL和焙烧温度为600℃时,催化剂具有最好的甲烷催化性能。LC-DES-6h优异的催化性能归因于该复合物丰富的孔道结构、优异的氧化还原能力以及三相之间C-O键的形成;对LC-DES-6h进行两次催化反应循环及稳定性实验,经72h依然保持着良好的催化性能。
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