Co3O4-MMT催化剂的构建及其N2O分解性能

作     者：杨伟伟 

作者单位：山西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王永钊

授予年度：2023年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：N2O分解 Co3O4 蒙脱土 原位聚合插层 配位沉积 

摘      要：氧化亚氮（NO）是一种来源广泛的温室气体,其在大气中的寿命长达110～150年,并且其能与平流层中的臭氧发生反应,从而引发臭氧层空洞。NO的大量排放已导致一系列严重的环境问题,对地球生命系统造成了严重威胁。因此,针对NO的排放控制和消除已刻不容缓。直接催化分解法被誉为最理想的NO减排技术,并且已有多种贵金属和过渡金属氧化物催化剂用于直接催化NO分解研究。其中CoO具有独特的尖晶石结构,并且含有高浓度的氧空位、弱的Co-O键、强的氧化还原电子对(Co/Co),使其在NO直接分解反应中表现出相对优异的催化活性。然而,由于NO分解过程通常发生在气固两相界面,因而使CoO催化剂中活性相的综合利用率相对较低,并且单一的CoO催化剂还存在易烧结、高温稳定性差和抗杂质气体能力不足等问题,这严重限制了其实际应用。因此,如何有效解决上述问题成为当前研究的重点。蒙脱土（MMT）是目前研究最深入的阳离子粘土矿物,由于其独特的层状结构和层间阳离子可交换的特性,作为催化剂或载体表现出广阔的应用前景。本文选择蒙脱土作为载体材料,首先采用原位聚合-配位沉积法制备了一系列不同Co含量的Co-MMT（CD）催化剂,通过考察该系列催化剂的NO催化分解活性,得出MMT载体的最佳Co负载量。随后,继续研究了不同焙烧升温速率对催化活性的影响,从而获得了该方法的催化剂最佳制备条件。同时采用传统沉积沉淀法在该条件下制备了Co-MMT（DP）催化剂作为对比,并通过一系列表征方法,重点分析了制备方法对催化剂结构性能的影响,旨在阐明催化剂织构结构和表面性质与其NO催化分解活性之间的构效关系,主要结论如下:1.在NO含量为1000 ppm,GHSV为10000 h,或在3%O、200 ppm NO和3.3%HO的杂质气体存在下,考察了Co-MMT催化剂的NO催化分解活性和杂质气体耐受性。结果表明,与沉积沉淀法制备的Co（0.015）-MMT-2（DP）催化剂以及纯CoO相比,采用原位聚合-配位沉积法制备的Co（0.015）-MMT-2（CD）催化剂具有更高的催化活性、稳定性和杂质气体耐受性,通过XRD和N-物理吸附表征发现Co（0.015）-MMT-2（CD）催化剂具有更加优异的结构织构特性。2.采用FT-IR、Raman、XPS、H-TPR、O-TPD等表征手段对不同方法制备的Co-MMT催化剂的结构和表面性质进行系统表征。结果表明,与沉积沉淀法制备的Co（0.015）-MMT-2（DP）催化剂相比,Co（0.015）-MMT-2（CD）催化剂不仅实现了高含量CoO活性相在MMT上的高度分散,而且该催化剂具有更弱的Co-O键和更好的低温还原能力,同时该催化剂表面含有更多的Co和丰富的氧空位。进一步的DFT计算结果表明,Co对NO分解具有更高的催化活性。