钯基阳极氧化改性铝片催化剂的制备及甲苯催化燃烧性能研究

摘要

挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）是指沸点范围在50～100℃到240～260℃之间的化合物，也是一重要的大气污染物，对生态环境和人类健康有严重危害。催化燃烧净化法是处理VOCs的最有效方法之一。该方法具有燃烧效率高，低温起燃性好，不会产生二次污染，燃烧不受有机污染物浓度限制等优点，在处理VOCs的净化处理中具有明显优势。
　　 催化燃烧法是处理VOCs最为直接、经济、效率高，适用范围广，其中心是催化剂的研究开发，因此制备具有低温活性高，稳定性好的催化剂是目前催化燃烧法处理VOCs的关键。
　　 本论文主要以铝丝网为基体，采用阳极氧化法制备涂层，再用化学镀技术在具有氧化铝涂层的铝丝网上负载贵金属Pd制备整体式催化剂，并以甲苯催化燃烧净化作为探针反应，考察其催化燃烧性能，主要研究内容及结果如下:
　　 首先，催化剂载体涂层的制备。金属载体与传统的陶瓷载体相比，几何比面积更大，有利于催化活性物质的吸附，并减少排气阻力;热传导系数更高，可以迅速传热，从而避免载体局部过热的结构热损坏;比热更低，可以缩短达到催化反应温度的时间，快速点火。金属载体成为了一种极具发展潜力的尾气净化催化剂载体形式。然而，金属载体存在抗高温氧化性较差、载体材料的成形工艺复杂、载体材料与涂层的结合力较差等缺陷，尤其是涂层负载困难和使用过程中的涂层剥落问题，是金属载体至今未能得以大规模利用的主要因素之一。本文采用阳极氧化技术，使金属铝丝网表面生成一层高度有序的多孔型膜，重点考察，阳极氧化时间、电流密度和反应温度对多孔膜形成的影响，通过对比表面积、XRD、SEM等表征分析。结果表明金属铝丝网基体上阳极氧化改性的最优工艺条件为反应温度25℃、电流密度1.5A/dm2和反应时间120min，生成的阳极氧化膜最有规律;与传统涂层制备方法相比，阳极氧化法涂层制备具有涂覆率高、脱落率低、涂层牢固度更好，涂布更均匀、所得基底比表面积更高的优点。
　　 然后，选用Pd为活性组分，采用化学镀技术制备Pd/Al2O3/Al丝网整体是催化剂，并优化了催化剂的制备工艺，以甲苯为反应气体考察了催化剂的催化性能。实验结果表明:经过阳极氧化的铝丝网，0.4wt％Pd/Al2O3/Al丝网催化剂作用下，甲苯190℃就完全催化转化，和直接化学镀的催化剂载体相比，阳极氧化改性后的金属铝片基体是一种性质优良、发展前景良好的功能性材料，与此同时得出，化学镀温度为60℃，镀液浓度为0.2g/L，催化剂最佳焙烧温度为600℃。相应表征也表明，随着温度升高，高分散PdO和结晶型PdO作为主要活性组分，在温度600℃～700℃时，PdO大量聚集烧结，导致催化剂失活。从催化性能和经济因素考虑，0.4wt％的Pd/Al2O3/Al整体是催化剂性价比高，此时催化剂起燃温度T10和完全燃烧温度T99分别为165℃和190℃。
　　 最后，对催化剂的性能、结构和表征进行了分析。0.4wt％Pd/Al2O3/Al丝网催化剂在甲苯进样气体浓度为1～8g·m-3，空速在5000～20000h-1范围内均能表现良好的催化性能，140h寿命实验中催化剂活性基本保持不变。从热冲击、牢固度、XRD、UV漫反射、H2-TPR和O2-TPD等分析结果也表明:催化剂依赖于Pd-PdO协同作用完成催化燃烧反应，在金属Pd和PdO相界面吸附氧变为晶格氧速率平衡，催化剂活性达到稳定;化学镀法制备Pd/Al2O3/Al丝网整体是催化剂活性组分在基体上负载牢固，而且在负载量较低时，PdO以小颗粒单层均匀分布，但负载量大于0.60wt％时，PdO在载体上面开始团聚，从而导致催化活性降低，而且造成一定的浪费;通过SEM对载体和催化剂的形貌进行了表征，结果发现经阳极氧化工艺处理的催化剂，其催化活性与其表面形成的氧化膜状态有关。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 催化燃烧用的催化剂

1．3 金属基体表面生成化学涂层的方法

1．3．1 阳极氧化法

1．3．2 等离子喷涂法

1．3．3 电弧喷涂法

1．3．4 电泳沉积法

1．4 阳极氧化工艺的研究进展

1．4．1 阳极氧化工艺的发展

1．4．2 多孔氧化膜的研究进展

1．4．3 铝阳极氧化膜的结构

1．5 铝阳极氧化膜的缺陷

1．5．1 电解液中的阴离子在阳极氧化膜中的夹杂

1．5．2 铝合金阳极氧化时基体中的合金元素对铝阳极氧化膜的影响

1．6 阳极氧化膜的应用

1．7 阳极氧化工艺

1．7．1 铝丝网阳极氧化工艺的预处理

1．7．2 阳极氧化工艺的影响因素

1．8 阳极氧化铝金属基体负载活性组分的方法

1．8．1 浸渍法

1．8．2 电镀法

1．8．3 溅射沉积法

1．8．4 化学镀法

1．9 立题依据和研究内容

1．9．1 立题依据

1．9．2 研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验药品与仪器

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 阳极氧化膜铝丝网基体的制备

2．3 阳极氧化反应工艺条件的调变

2．4 阳极氧化膜表征分析

2．4．1 扫描电镜SEM测定

2．4．2 超声波实验

2．5 钯基催化剂的制备

2．6 催化剂性能的影响因素

2．6．1 基体处理对催化剂性能的影响

2．6．2 焙烧条件对催化剂性能的影响

2．6．3 空速对催化剂性能的影响

2．7 催化剂活性组分负载率

2．8 催化剂活性组分附着力强度测试

2．9 催化剂活性评价

2．9．1 活性评价

2．9．2 实验流程

2．10 催化剂的表征

2．10．1 扫描电镜(SEM)

2．10．2 能量色散X射线谱(EDS)

2．10．3 比表面积测试(BET)

2．10．4 程序升温还原(H2-TPR)

2．10．5 拉曼光谱(Raman)

2．10．6 X射线光电子能谱(XPS)

第三章 阳极氧化法制备催化剂涂层工艺

3．1 硫酸阳极氧化工艺

3．1．1 前言

3．1．2 阳极氧化膜铝丝网的制备

3．1．3 阳极氧化工艺条件的优化

3．1．4 阳极氧化工艺条件的SEM表征

3．2 磷酸阳极氧化法工艺

3．2．1 前言

3．2．2 阳极氧化膜的制备

3．2．3 磷酸阳极氧化后续热处理阶段的影响

3．3 EDS分析

3．4 本章小结

第四章 化学镀法制备钯基阳极氧化铝丝网整体式催化剂的探讨

4．1 引言

4．2 化学镀制备催化剂

4．2．1 化学镀钯

4．2．2 催化剂附着力测试

4．2．3 催化剂活性组分负载率

4．3 催化剂活性组分附着力强度测试

4．4 催化剂活性评价

4．4．1 焙烧温度对催化剂话性评价

4．4．2 不同浓度的催化剂活性评价

4．5 空速对催化剂活性的影响

4．5 进样甲苯浓度对催化剂活性的影响

4．6 催化剂稳定性和寿命评价

4．6．1 催化剂稳定性测试

4．6．2 稳定性前后催化剂SEM表征

4．7 阳极氧化处理对催化剂活性的影响

4．8 不同的阳极氧化处理条件对催化活性的影响

4．9 本章小结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢