钴基催化剂对CO催化氧化的实验与机理研究

作     者：崔晓楠 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晶

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：CO催化氧化 钴基氧化物 SrCoO3钙钛矿 金属摻杂 反应机理 密度泛函理论 

摘      要：一氧化碳(CO)可与大气污染物发生光化学反应危害生态环境。催化氧化技术是一种很有前景的CO脱除技术。目前商用的贵金属催化剂存在价格高、储量低等缺点,很难实现大规模应用。因此,本文开发了廉价高效、热稳定性较好的钴基钙钛矿催化剂,从分子水平上揭示了催化剂表面CO氧化的反应机理。使用溶胶-凝胶法合成了SrCoO催化剂。通过X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、氮气物理吸脱附(BET)、热重分析(TGA)等手段对样品进行表征分析。表征分析结果表明,合成的SrCoO钙钛矿物相较纯。CO氧化实验表明,SrCoO对CO具有较高的氧化活性,CO完全转化温度为400℃。应用量子化学的密度泛函理论研究了SrCoO催化剂上CO的催化氧化机理,结果表明CO氧化主要遵循Mars-van Krevelen机理。反应CO*+O→CO*+O具有最高的活化能垒(0.61 e V),是CO氧化反应的速控步骤。由于SrCoO催化剂的T为400℃,其低温活性不高。通过控制煅烧温度(600℃和700℃)制备了不同晶相的钴基催化剂(CoO/Sr CO和SrCoO/Sr CO),并探索了煅烧温度对于钴基催化剂CO氧化活性的影响。结果表明,随煅烧温度升高,催化剂成分由Sr CO转变为SrCoO,最终形成SrCoO。CoO/Sr CO催化剂的比表面积更大、表面Co活性位点更丰富。固定床实验表明,CoO/Sr CO的催化性能(T=300℃)更好。因此,改变形貌和活性位密度是提升催化剂性能的有效方法。进一步通过掺杂不同金属元素Cu、Ni、Ce对CoO/Sr CO的催化活性进行调控,同时考察了不同元素掺杂对催化剂物化性质、催化活性和CO+NO协同催化作用的影响。固定床实验结果表明,Cu掺杂显著提高了CoO/Sr CO的低温催化活性。Cu CoO/Sr CO催化剂在CO氧化反应中的T为180℃。金属掺杂可通过提高催化剂的比表面积、活性位点数量、热稳定性等来提高催化剂的CO脱除效率。