用于一氧化碳低溫氧化的負載型和復合型氧化銅基多孔納米催化劑體

1、用于一氧化碳低溫氧化的負載型和復合型氧化銅基多孔納米催化劑體系作為一種主要的大氣污染物 , 由許多工業(yè)過程、交通運輸和家庭生活所 產生的 CO氣體的存在對人類的身體健康和生活環(huán)境造成了極大的危害。因 此,CO的脫除就顯得尤為重要 , 其中催化氧化脫除是最為有效的方法。近年來 , 對價格低廉、原料易得的銅系列催化劑的研究得到廣泛的關注。眾所周知, 材料的物理和化學性能不僅和其化學組成相關 , 還和其多孔性和形貌結構有著至關重 要的聯(lián)系。因此 , 設計制備特定孔結構和特定形貌的材料成為眾多科研工作者研 究的熱點。到目前為止 , 以金屬氧化物為載體負載 CuO制備負載型催化劑的研究 已經(jīng)開展的非常廣

2、泛。在催化領域 , 由于多孔金屬氧化物具有高比表面積、均勻 的孔徑分布等優(yōu)勢 , 其能促進活性組分金屬顆粒在其表面的高分散和穩(wěn)定化并最 終促進催化劑性能的提高 ;因此, 近年來其作為催化劑和催化劑載體的研究吸引 了人們的普遍關注。然而 , 以多孔金屬氧化物為載體負載 CuO催化劑并應用到催 化 CO低溫氧化中的研究卻鮮有報道。因此 , 開發(fā)出具有高比表面積和多孔結構 的氧化銅基金屬氧化物催化劑仍是一個很具挑戰(zhàn)性但有著重要研究價值的工 作。本論文中 , 選取過渡金屬銅氧化物基負載型和復合型多孔納米催化劑為研究 對象, 對催化劑的制備過程、組分之間的協(xié)同作用、催化劑 CO低溫氧化活性及 活性機理等

3、進行了系統(tǒng)研究 , 旨在開發(fā)出一個全新的催化劑體系。具體研究內容 和結果歸納如下 :1. 首次采用陽離子型表面活性劑 CTAB輔助合成法 , 制備出具有 介孔結構的 CuO/Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2 催化劑和 CuO-Fe_2O_3復合氧化物催化 劑。制備的樣品采用 XRD、N_2-sorption 、TG-DTA、SEM、TEM、H_2-TPR和 XPS 等表征手段表征其組成和結構 , 并在微反-色譜裝置上考察了其催化 CO低溫氧化 的催化活性。 XRD和 TEM分析結果表明 , 催化劑由納米尺度的顆粒組成。氮氣吸 附-脫附等溫線表明 , 所制備的這兩個納米催化劑體系具有高比表

4、面積和均勻的 介孔孔徑分布?；钚詼y試結果顯示 , 這兩個介孔納米催化劑均具有高的催化 CO 低溫氧化活性。催化劑的高催化性能和活性組分銅物種含量、焙燒溫度、比表 面積、顆粒粒徑、活性組分與載體的協(xié)同作用等因素息息相關。此外 , 我們系統(tǒng) 地研究了不同 CuO/Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2 催化劑的制備方法和 CuO/Ce_xZr_(1- x)O_2 催化劑中鈰鋯比對該催化劑體系結構和性能的影響。同時 , 研究了該催化 劑催化 CO氧化的反應動力學。 2.采用陽離子型表面活性劑 CTAB輔助合成法 ,制 備出多孔 -Fe_2O_3納米棒,并采用沉積 -沉淀法在其表面負載 CuO制備出負

5、載 型 CuO/-Fe_2O_3NRs催化劑。樣品的結構和形貌表征結果顯示 , 所制備的 - Fe_2O_3具有一維棒狀結構 , 且在納米棒表面存在 5-12nm的多孔結構 ; 根據(jù) SEM、 TEM和 TG-DTA等表征結果我們提出了該多孔 -Fe_2O_3納米棒的形成機 理。負載 CuO后的催化劑保持了載體的棒狀結構 ,粒徑大小約 6nm的 CuO顆粒包 埋或半包埋在載體的孔道中。通過 H_2-TPR和 XPS等表征結果證實 ,Cu_2O物種 提供了催化反應中的活性位 , 我們在此基礎上提出了在 CuO/-Fe_2O_3NRs催化 劑上 CO氧化的機理。并和商品 -Fe_2O_3負載 Cu

6、O催化劑進行對比 , 對該催化 劑體系催化 CO氧化的反應動力學進行初步探討。 3. 采用無模板劑鈦酸丁酯在強 酸條件下自水解的辦法 , 制備出具有大孔 - 介孔結構的二氧化鈦 (MMTD),并采用沉 積-沉淀法制備出負載型 CuO/MMTD納米催化劑。表征結果顯示 ,負載 CuO后的催 化劑保持了載體 MMTD的高比表面積和分級孔結構?；钚詼y試結果表明 ,400 焙 燒的 8wt.%-CuO/MMTD催化劑具有最高的催化活性。通過與商品級和僅具有介孔 結構的 TiO_2負載 CuO催化劑的對比研究后發(fā)現(xiàn) ,大孔結構促進了反應物分子和 產物分子的傳質作用并最終導致了其催化 CO低溫氧化性能的提

7、高。該 CuO/MMT催D 化劑體系的催化性能還和 CuO的負載量、預處理溫度、高比表面積 等因素息息相關。通過 H_2-TPR和 XPS等表征探討研究了該催化劑的催化活性 位。 4.首次以具有纖維狀結構的高比表面積凹凸棒石粘土 (APT)為載體, 負載 CuO制備出負載型 CuO/APT催化劑。對所制備的催化劑進行了系統(tǒng)的結構表征 和催化 CO低溫氧化性能研究。結果顯示 : 該凹凸棒石為載體的催化劑催化 CO低 溫氧化的催化性能與前面所研究的銅基多孔金屬氧化物催化劑相當。由于凹凸 棒石粘土獨特的性能、低廉的價格和易獲得性 , 其在不同的催化反應中 ( 尤其是 在催化 CO低溫氧化中 ), 具

8、有極大的潛在應用價值。同主題文章 【相關博士論文】1 .黃懷國. 導電聚合物 -納米半導體微粒復合膜的制備和性能研究 ' D. 廈門大學 . 20012 .陳建軍. 納米 TiO_2光催化劑的制備、改性及其應用研究 ' D. 中南 大學. 20013 .王玫. -SiC 薄膜的低溫沉積及特性研究 ' D. 北京工業(yè)大學 . 20024 .張靜武. 金屬塑性變形與斷裂的 TEM/SEM原位研究 ' D. 燕山大學 . 20025 .劉曉鵬. TiNi 形狀記憶合金薄膜顯微結構及相變行為研究 ' D. 大 連理工大學 . 20026 .劉守新. 活性炭光再生

9、技術與 TiO_2- 活性炭協(xié)同作用機制研究 ' D. 東北林業(yè)大學 . 20027 .郭興忠. 鋅鉛分離的理論及應用研究 ' D. 重慶大學 . 2002江智淵. 低維納米材料的制備研究 ' D. 廈門大學. 2002李曉云 . 金屬膜電阻器穩(wěn)定性的研究 ' D. 天津大學 . 200310.魏坤. 稀土納米介孔固體的自組裝形成機理研究及材料表征 ' D. 湖 南大學. 2003【相關碩士論文】1 .張晟卯. 仿生納米復合薄膜的制備、表征及摩擦學行為研究 ' D. 河 南大學. 20012 .孫磊. 表面修飾雜多酸鹽納米微粒的制備及摩擦學性能研

10、究 ' D. 河 南大學. 20013 .程俊秋 . 納米羥基磷灰石聚乳酸生物活性復合材料的制備及性能研 究' D. 四川大學. 20014 .馮祖勇 . -Fe_2O_3基氣敏納米材料的制備及其結構、性能的研究 ' D. 福州大學 . 20025 .胡春和. 釕基納米氧化物的熱力學、動力學及電化學性能 ' D. 福州 大學. 20026 .朱國亮. 納米粉體 /聚丙烯復合材料的制備及力學性能研究 ' D. 浙 江大學. 20027 .徐時清. 二氧化釩納米粉末和摻雜薄膜的制備及光電特性研究 ' D. 西安理工大學 . 20028 .李強. 納米流體制備方法與輸運參數(shù)的研究 ' D. 南京理工大學 . 20029 .張國安. 單晶硅和石英光纖表面上電沉積功能性鍍層的研究 ' D. 廣 東工業(yè)大學 . 2002劉洪成 .