Cu-Ce-Zr-O納米催化劑的制備、表征及其CO氧化催化性能研究.pdf

1、汽車排氣產(chǎn)生的污染問(wèn)題在當(dāng)今社會(huì)受到了廣泛重視,CO是汽車尾氣的一種主要成分,用催化氧化的方法對(duì)其進(jìn)行治理是消除CO污染的有效途徑。CuO/CeO2催化劑由于價(jià)廉而又具有較高的CO氧化催化活性,成為近期的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于在行駛過(guò)程中,汽車排氣口的溫度有時(shí)可高達(dá)800-900℃,這就要求催化劑能夠承受高溫的考驗(yàn)。然而研究表明,CeO2在較高的溫度下容易發(fā)生燒結(jié)而降低催化劑的活性,為此,人們?cè)贑eO2中加入第二種氧化物使其生成復(fù)合氧化物來(lái)

2、提高CeO2的熱穩(wěn)定性。近年來(lái),鈰鋯復(fù)合氧化物的研究引起了科研人員極大的關(guān)注,因?yàn)閆r的加入能夠提高催化劑的氧儲(chǔ)存能力、氧化還原能力和熱穩(wěn)定性。Cu-Ce-Zr-O催化劑體系的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義,而且具有重大的實(shí)用價(jià)值。 本論文采用共沉淀法、檸檬酸絡(luò)合法、水熱法與傳統(tǒng)的浸漬法相結(jié)合制備出一系列高熱穩(wěn)定性的Cu-Ce-Zr-O納米催化劑。運(yùn)用XRD、FT-Raman、BET、HRTEM、XPS、H2-TPR等手段對(duì)樣品進(jìn)行

3、了表征,利用微反-色譜裝置評(píng)價(jià)了其催化CO氧化性能。系統(tǒng)考察了制備方法、鈰鋯原子比、銅物種負(fù)載量、焙燒條件等因素對(duì)Cu-Ce-Zr-O納米催化劑催化性能的影響,首次與CuO/CeO2催化劑比較研究了其結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及催化性能。論文首次制備了Au/Ce0.8Zr0.2O2催化劑,考察了制備條件對(duì)其催化性能的影響,并與CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑進(jìn)行了比較研究。首次研究了不同金屬M(fèi)組成的CuO/Ce-M-O催化劑的結(jié)構(gòu)及其催化性能

4、。論文還評(píng)價(jià)了催化劑的壽命。主要研究?jī)?nèi)容和取得的結(jié)果如下： 一、以共沉淀法制備的Ce-Zr-O為載體的Cu-Ce-Zr-O納米催化劑的表征及性能研究以Ce(NO3)3-6H2O和ZrOCl2·8H2O為原料,氨水為沉淀劑,利用共沉淀法制備了Ce0.8Zr0.2O2納米粉體,并運(yùn)用浸漬法制備了CuO/Ce0.8Zr0.2O2納米催化劑。首次與相同方法制備的CuO/CeO2催化劑進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：Ce0.8Zr0.2O2具有

5、與CeO2相同的結(jié)構(gòu),均為立方螢石結(jié)構(gòu)。XRD、FT-Raman、XPS、H2-TPR分析和催化活性測(cè)試表明,高分散的CuO是CO氧化催化的活性組分。銅物種的負(fù)載量、焙燒條件對(duì)催化劑的催化活性均有影響。其中CuO負(fù)載量為10wt％,焙燒溫度為600℃的CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑活性最佳。在焙燒溫度≤600℃時(shí),CuO/CeO2催化劑具有較高的催化活性,而800℃焙燒時(shí),活性明顯低于CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑,表明

6、CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑具有較好的熱穩(wěn)定性。壽命測(cè)試表明催化劑在給定的反應(yīng)條件下比較穩(wěn)定。二、檸檬酸絡(luò)合法制備的Cu-Ce-Zr-O納米催化劑的表征及性能研究以Ce(NO3)3·6H2O、Zr(NO3)4·5H2O、Cu(NO3)2·3H2O和檸檬酸為原料,采用檸檬酸絡(luò)合法制備了CuO/Ce0.8Zr0.2O2納米催化劑。結(jié)果表明：催化劑的載體Ce0.8Zr0.2O2均為立方螢石結(jié)構(gòu)。催化劑的催化活性受CuO含量及焙燒條件

7、的影響,其中500℃ 4h焙燒的CuO(5wt％)/Ceo0.8Zr0.2O2催化劑具有較好的催化活性。與CuO/CeO2催化劑進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),CuO/CeO2催化劑在600℃焙燒具有最好的催化活性,800℃的焙燒時(shí),催化活性顯著降低；而CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑在800℃焙燒后仍具有較好的催化活性。 三、以水熱法制備的Ce-Zr-O為載體的Cu-Ce-Zr-O納米催化劑的表征及性能研究以Ce(NO3)3·6H2O和Z

8、r(NO3)4·5H2O為原料,CO(NH2)2為沉淀劑,采用水熱法制備了CexZr1-xO2納米粉體,并首次結(jié)合浸漬法制備了CuO/CexZr1-xO2納米催化劑。研究表明,制備Ce-Zr-O載體的合適水熱條件為160℃24 h,催化劑及載體的最佳焙燒條件為500℃。XRD與FT-Raman分析表明不同Ce/Zr比載體的結(jié)構(gòu)不同,Ce0.8Zr0.2O2具有與CeO2相同的立方螢石結(jié)構(gòu)；Ce0.6Zr0.4O2,Ce0.5Zr0.5O

9、2與Ce0.4Zr0.6O2表現(xiàn)為某種程度的相分離(包括CeO2的立方螢石結(jié)構(gòu)與ZrO2的四方相(t-ZrO2));Ce0.2Zr0.8O2主要為t-ZrO2相；純ZrO2主要表現(xiàn)為單斜相(m-ZrO2)。H2-TPR分析及催化活性測(cè)試表明,Ce/Zr原子比不同對(duì)CuO的分散度有影響,高分散的CuO是CO氧化催化的活性組分。催化劑的催化活性隨著Ce含量的降低而降低,但是催化活性研究結(jié)果表明,Zr的加入能明顯提高催化劑的熱穩(wěn)定性。在含Zr

10、的催化劑中,CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑具有較好的CO氧化催化性能,在CuO含量為5wt.％,500℃4 h焙燒條件下,它的催化性能最佳。與前兩種方法比較,水熱法制備的催化劑具有最好的催化性能及熱穩(wěn)定性。四、以水熱法制備的Ce-Zr-O為載體的Au-Ce-Zr-O納米催化劑的表征及性能研究以水熱法制備了Ce0.8Zr0.2O2納米粉體并且首次采用沉積-沉淀的方法制備了Au/Ce0.8Zr0.2O2納米催化劑,系統(tǒng)地研究了pH值

11、調(diào)節(jié)、金負(fù)載量、焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)Au/Ce0.8Zr0.2O2催化劑的CO氧化催化性能的影響。并首次與CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑的催化活性及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明制備Au/Ce0.8Zr0.2O2催化劑的最佳pH值為7,最佳焙燒條件為300℃3 h。與CuO/Ce0.8Zr0.2O2催化劑相比,該條件下制備的Au/Ce0.8Zr0.2O2催化劑具有較好的催化活性,但高溫焙燒后其活性明顯降低,熱穩(wěn)定性較差。

12、五、以水熱法制備的Ce-M-O為載體的Cu-Ce-M-O納米催化劑的表征及性能研究以水熱法制備了Ce-M-O(M=Mg,Fe,Co,Zn,Sn,Bi,La)納米粉體,并以此為載體采用浸漬法制備了CuO/Ce-M-O納米催化劑,首次比較探討了不同金屬M(fèi)的加入對(duì)CuO/CeO2催化劑的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及催化性能的影響。研究表明Mg,Bi,La的加入會(huì)形成固溶體保持與其相同的結(jié)構(gòu),而Fe,Co,Zn,Sn的加入會(huì)產(chǎn)生新的相。催化活性測(cè)試表明,加