负载型Pd催化剂对氯代有机污染物的液相催化加氢脱氯研究

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氯代有机物在化工、农药以及医学等领域应用广泛,但在环境中难以被生物降解,并沿食物链在生物体内富集,且具有不可忽视的生物毒性和三致效应。因此,发展高效去除技术是重要的环境科学研究课题。液相催化加氢技术环保高效且低能耗,可将氯代有机物转化为低毒甚至无毒的物质,是治理水体中氯代有机污染物物极具前景的技术之一。催化剂是实现高效去除氯代有机物的关键,贵金属Pd易于氢气形成β-钯氢,活化氢气能力强,是研究最多的加氢催化剂之一。需要强调的是,负载型Pd催化剂的结构性质多变,氯代有机污染物种类繁多,彼此性质差异较大,这些因素均会影响催化剂对催化加氢脱氯反应的活性。通过调变负载型Pd催化剂的结构性质(电子性质、几何构型),并选择具有不同性质和分子尺寸的氯代有机污染物,研究催化剂结构与加氢脱氯效率的关联效应和氯代有机物结构性质对催化加氢脱氯的影响,对于水体中氯代有机污染物的高效去除具有重要意义。本论文通过选择不同的载体(氧化钛Ti O2、氧化铈Ce O2、杂氮中孔炭MCN和不同形貌Ce O2)、改变制备方法(不同还原方式和还原温度)以及调节催化剂的尺寸(调变Pd负载量),获得结构性质不同的负载型Pd催化剂,同时选择不同性质(4-氯苯酚、一氯乙酸)和不同分子尺寸(4-氯苯酚、2,4-二氯苯酚和2,4-二氯苯氧乙酸)的氯代有机污染物作为目标污染物,结合X射线衍射(XRD)、电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、原位CO吸附红外光谱(In-situ CO-IR)等表征分析,探讨催化剂和氯代有机物结构性质与催化加氢脱氯性能的关联机制,主要研究结果如下:(1)通过选择三种与贵金属相互作用不同的材料(Ti O2、MCN和Ce O2)和不同形貌Ce O2(棒状Ce O2、立方体Ce O2、八面体Ce O2)作为载体,以及改变催化剂制备方法(氢气还原和硼氢化钠还原)来调变催化剂表面Pd颗粒结构性质,选择不同性质的4-氯苯酚和一氯乙酸为反应物,研究表明采用硼氢化钠还原的催化剂表面Pdδ+占比较高,采用氢气还原的催化剂表面Pd0占比较高,一氯乙酸较的催化加氢脱氯4-氯苯酚需要更多Pdδ+,且催化剂的高活性与具有三齿结构的Pd集合有关;(2)采用沉淀沉积法并调变Pd负载量,制备出Pd颗粒尺寸分别为1.0 nm、2.2 nm和2.5 nm的催化剂,同时选择三种不同分子尺寸的氯代有机物作为目标污染物(4-氯苯酚、2,4-二氯苯酚和2,4-二氯苯氧乙酸),研究Pd催化剂对不同分子尺寸氯代有机污染物加氢脱氯的最佳尺寸。研究发现,Pd/Ti O2的催化活性受到Pd颗粒尺寸效应和污染物分子位阻效应的共同影响,当反应物尺寸较大时,催化剂尺寸越小越有利于催化加氢脱氯,当反应物尺寸较大时,粒径过小的催化剂不利于催化加氢脱氯。结合动力学拟合结果,我们发现在小尺寸Pd/Ti O2-0.05催化下2,4-二氯苯氧乙酸的加氢脱氯以逐步脱氯方式为主,随着尺寸增加催化剂对2,4-二氯苯氧乙酸的同步脱氯方式占比增大,而所有Pd/Ti O2催化下2,4-DCP的加氢脱氯以同步脱氯方式为主;采用不同的催化剂制备方法,改变还原方式和和还原温度得到具有不同几何构型的催化剂,进一步探讨制备方法对催化加氢脱氯的影响。研究表明集合态Pd较分离态Pd更有利于催化加氢脱氯,其中三齿结构的大集合Pd较二齿结构的小集合Pd更有利于催化加氢脱氯。
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