钯(铂)金属丝网整体式催化剂的制备及催化性能研究

摘要

工业制造过程中排放的挥发性有机化合物(VOCs)是造成大气污染的主要污染物之一，对大气环境和人们的身体健康构成了严重的威胁，引起人们的广泛关注。在诸多处理VOCs的方法中，催化燃烧法因具有起燃温度低，能耗少，处理效率高，无二次污染等显著优点成为目前最高效的VOCs处理方法之一。催化燃烧法的核心是高效的燃烧催化剂，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的关键任务。
　　 本论文主要以金属丝网为基体，采用化学镀技术直接在除氧化皮后的丝网上负载贵金属Pd(Pt)制备整体式燃烧催化剂，并以甲苯为反应气体，考察其催化燃烧性能。展开了以下几个方面的工作:
　　 首先，以316L不锈钢丝网为基体，Pd为活性组分，采用化学镀技术制备了Pd/316L不锈钢丝网整体式燃烧催化剂，重点考察了不锈钢丝网基体的不同酸处理刻蚀方法对丝网和制备催化剂表面形貌、活性组分附着力以及催化燃烧甲苯活性的影响。结果表明，浓HCl处理后的基体表面出现明显的沟壑状起伏，粗糙度较高，所以活性组分与基体的附着力最优，但HNO3-HF混合酸处理后制备的催化剂表面Pd组分颗粒更小分布更均匀，所以催化活性最好。
　　 然后，选用FeCrAl丝网为基体，Pd为活性组分，采用化学镀技术制备了Pd/FeCrAl丝网整体式燃烧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。结果表明，最优的Pd负载量和焙烧温度分别为0.3wt％和800℃，此时催化剂起燃温度T10和完全燃烧温度T99分别为184℃和210℃，并且该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燃烧活性。对催化剂进行了稳定性测试，75h内对甲苯的转化率均保持在95％以上，此后催化剂活性开始出现下降，研究发现，催化剂依赖于Pd-PdO协同作用完成催化燃烧反应，稳定性下降主要是因为催化燃烧反应中，在金属Pd和PdO相界面吸附氧变为晶格氧的速率小于晶格氧的消耗速率，从而造成Pd相与PdO相比例失衡。
　　 最后，选用FeCrAl丝网为基体，换用Pt为活性组分，采用化学镀技术制备了Pt/FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂，确定最优的Pt负载量和焙烧温度分别为0.15～0.2wt％和400～500℃，此时催化剂起燃温度T10和完全燃烧温度T99分别为152℃和180℃，具有优异的催化活性。但该催化剂稳定性较差，12h后甲苯的转化率就开始出现明显的下降，经表征分析推测，可能是由于Pt组分颗粒粒径较大导致吸附氧在Pt-PtO相界面传输阻力过大，破坏了Pt-PtO协同作用机制。后采用更高表面积的FeCrAl纤维毡为基体，制备了Pt组分颗粒粒径更小的Pt/FeCrAl金属纤维毡整体式燃烧催化剂，在70h内甲苯的转化率都保持在90％左右，表现出良好的稳定性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 整体式燃烧催化剂基体的选择

1．2．1 整体式催化剂基体的类型

1．2．2 金属基体结构类型和选择

1．3 金属基体的表面预处理方法

1．3．1 高温氧化法

1．3．2 酸碱腐蚀法

1．4 金属基体表面涂层的制备方法

1．4．1 溶胶-凝胶法

1．4．2 等离子体喷涂法

1．4．3 电泳沉积法

1．4．4 阳极氧化法

1．5 VOCs净化用金属基体整体式燃烧催化剂的制备及应用

1．5．1 贵金属整体式燃烧催化剂

1．5．2 非贵金属整体式燃烧催化剂

1．6 本文研究的目的与内容

第二章 实验材料及方法

2．1 化学试剂与实验仪器

2．1．1 化学试剂与原料

2．1．2 实验所用仪器

2．2 催化剂的制备

2．3 催化剂活性组分负载率

2．4 催化剂活性组分附着力强度测试

2．5 催化剂活性评价

2．5．1 活性评价

2．5．2 实验流程

2．6 催化剂的表征

2．6．1 扫描电镜(SEM)

2．6．2 能量色散X射线谱(EDS)

2．6．3 比表面积测试(BET)

2．6．4 程序升温还原(H2-TPR)

2．6．5 拉曼光谱(Ramall)

2．6．7 X射线光电子能谱(XPS)

第三章 Pd／316L不锈钢丝网燃烧催化剂的制备及性能研究

3．1 实验方法

3．1．1 原料与试剂

3．1．2 Pd／316L SSWM催化剂的制备

3．1．3 催化剂活性评价

3．1．4 催化剂表征

3．2 不同酸腐蚀预处理方法对316L不锈钢丝网的影响

3．2．1 SEM表征

3．2．2 BET表征

3．3 不同酸腐蚀预处理方法对Pd／316L SSWM性能的影响

3．3．1 SEM表征

3．3．2 活性组分附着力测试

3．3．3 对催化活性的影响

3．4 制备条件对Pd／316L SSWM催化活性的影响

3．4．1 焙烧温度对催化剂活性的影响

3．4．2 Pd负载量对催化剂活性的影响

3．5 本章小结

第四章 Pd／FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂的制备及性能研究

4．1 实验方法

4．1．1 原料与试剂

4．1．2 Pd／FeCrAl催化剂的制备

4．1．3 催化剂活性评价

4．1．4 催化剂表征

4．2 FeCrAl丝网原材料性能研究

4．2．1 SEM表征

4．2．2 BET表征

4．2．3 EDS表征

4．3 焙烧温度对Pd／FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂性能的影响

4．3．1 对催化剂活性的影响

4．3．2 SEM表征

4．3．3 EDS表征

4．3．4 TPR表征

4．3．5 Raman表征

4．3．6 活性组分附着力测试

4．3．7 XPS表征

4．4 钯负载量对Pd／FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂性能的影响

4．4．1 对催化剂活性的影响

4．4．2 SEM表征

4．4．3 EDS表征

4．4．4 Raman表征

4．5 反应工艺条件对Pd／FeCrAl催化剂活性的影响

4．5．1 进样甲苯浓度的影响

4．5．2 空速的影响

4．6 Pd／FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂的稳定性研究

4．6．1 稳定性测试

4．6．2 不同反应阶段Pd／FeCrAl催化剂的照片

4．6．3 SEM表征

4．6．4 XPS表征

4．7 本章小结

第五章 Pt／FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂的制备及性能研究

5．1 实验方法

5．1．1 原料与试剂

5．1．2 Pt／FeCrAl丝网催化剂制备

5．1．3 样品的活性评价

5．1．4 催化剂表征

5．2 焙烧温度对Pt／FeCrAl丝网整体式催化剂性能的影响

5．2．1 对催化剂活性的影响

5．2．2 SEM表征

5．2．3 EDS表征

5．2．4 活性组分附着力测试

5．3 负载量对Pt／FeCrAl丝网整体式催化剂的影响

5．3．1 对催化剂活性的影响

5．3．2 SEM表征

5．3．3 EDS表征

5．4 Pt／FeCrAl丝网整体式燃烧催化剂的稳定性研究

5．4．1 稳定性测试

5．4．2 SEM表征

5．4．3 XPS表征

5．5 Pt／FeCrAl纤维毡整体式催化剂制备及稳定性研究

5．5．1 FeCrAl纤维毡SEM表征

5．5．2 稳定性测试

5．5．3 稳定性前后催化剂SEM表征

5．5．4 稳定性前后催化剂EDS表征

5．5．5 稳定性前后催化剂的XPS表征

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢