静电纺丝法制备不同形貌的金属氧化物催化材料及催化性能研究

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一氧化碳(CO)和可挥发性有机物(VOCs)是大气中常见的污染物,它们对环境和人体健康都造成很大的危害。由于反应温度低、效率高、不产生二次污染物等特点,催化氧化法被广泛应用于CO和VOCs的去除过程中。催化剂在催化氧化法中起着重要的作用。贵金属催化剂中Pd具有较高的催化活性,稳定性及再生能力,被认为是去除CO和VOCs的重要催化剂。由于价格昂贵限制了贵金属催化剂的应用。因此,选择合适的载体,改善活性组分的分散度,减少贵金属用量极为重要。众所周知,Co3O4和In2O3是p型和n型的半导体。研究表明,这种p-n型的异质结构材料是一种合适的载体,因为它具有丰富的气体扩散通道,高的还原性,大的比表面积和高度缺陷的结构。本文从此出发,利用静电纺丝法制备Pd掺杂不同形貌的CoOx基,InOx基和CoOx-InOx基等金属氧化物催化材料及催化性能研究。其中包括:研究活性组分Pd负载不同形貌的CoOx-InOx金属氧化物催化材料的合成及CO催化性能;研究拥有超薄壳层的InOx@Pd/CoOx核壳结构金属氧化物催化材料的合成及CO催化性能;研究Pd/InOx纳米管为核,CoOx纳米立方体和CoOx纳米颗粒为壳的Pd/InOx@CoOx核壳结构金属氧化物催化材料的合成及甲苯催化性能。并通过SEM,TEM,BET,H2-TPR,XRD,CO-TPR,O2-TPD,FT-IR,Raman,XPS等表征技术,对催化材料及影响催化活性的因素进行了研究,得到以下结果:利用静电纺丝和煅烧法成功地制备了一系列具有不同形貌的CoOx-InOx-500(纳米纤维),CoOx-InOx-600(多孔纳米纤维),和CoOx-InOx-700(珠链状纳米纤维)。在此基础上,利用浸渍法制备Pd/CoOx-InOx-500(纳米纤维),Pd/CoOx-InOx-600(多孔纳米纤维),和Pd/CoOx-InOx-700(珠链状纳米纤维)并用于低温CO氧化。Pd/CoOx-InOx-500显示出好的CO活性(T90=57°C)。通过表征可知,与Pd/CoOx-InOx-600和Pd/CoOx-InOx-700相比,Pd/CoOx-InOx-500催化剂具有较大的表面积,较高的还原性,高度缺陷的结构,丰富氧空位,高度分散的Pd纳米颗粒,较多的Co3+物种和较多的晶格氧物种。利用同轴静电纺丝法和煅烧法成功制备了InOx@Pd/CoOx核壳结构纳米纤维。该纳米纤维具有以InOx为核芯,Pd/CoOx为超薄的壳层(约20-30 nm),以及中空的纳米管结构。还利用静电纺丝制备了Pd/CoOx和Pd/InOx纳米纤维,并将其应用于低温CO氧化。InOx@Pd/CoOx核壳纳米纤维表现出良好的的催化活性(T90=56°C)和较低的活化能。通过表征可知,与Pd/CoOx和Pd/InOx相比,InOx@Pd/CoOx具有高度分散的Pd纳米颗粒,较多的Co3+物种和化学吸附氧物种,丰富的氧空位,高度缺陷结构,较强的还原能力及较强的CoOx与InOx之间的相互作用。利用静电纺丝法和煅烧法制备钝化的Pd/InOx纳米纤维,然后在钝化的Pd/InOx纤维表面原位生长ZIF-67,最终制备了Pd/InOx@CoOx核壳结构纳米纤维。利用同轴静电纺丝法和煅烧法制备了具有不同形态的CoOx@Pd/InOx核壳结构纳米纤维和Pd/InOx/CoOx纳米纤维,应用于甲苯的催化氧化。Pd/InOx@CoOx核壳结构纳米纤维以Pd/InOx为核,CoOx为壳。CoOx@Pd/InOx核壳结构纳米纤维以CoOx为核,Pd/InOx为壳。Pd/InOx/CoOx纳米纤维为珠链结构。Pd/InOx@CoOx表现出最佳的活性(T90=253°C),较好的热稳定性和较好的三次循环稳定性。根据表征可知,Pd/InOx@CoOx的催化性能最佳,这是因为其具有大的比表面积,高的还原性,高度缺陷的结构和丰富氧空位,高度分散的Pd纳米颗粒,较多的Co3+物种和较多的晶格氧物种。
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