化学镀法制备Pd/FeCrAl及其催化燃烧甲苯性能研究

摘要

挥发性有机化合物(VOCs)是一类最常见的大气污染物,对生态环境和人体健康造成了极大危害。催化燃烧法是当前消除VOCs污染最有效和最常用的方法之一,具有燃烧效率高、起燃温度低和无二次污染等优点。而催化燃烧广泛采用的金属基整体式催化剂,存在着过渡涂层或活性组分与金属基体结合强度不足的问题,为此本文采用了化学镀法,在FeCrAl不锈钢金属基体上负载贵金属Pd制备出金属基整体式催化剂。
　　 本研究首先对传统浸渍法和化学镀法制备的金属基整体式催化剂进行了对比研究。由甲苯催化燃烧性能评价实验可知,在相同反应条件下,化学镀法制备的Pd/FeCrAl催化剂对甲苯催化燃烧的起燃温度T10为160℃,完全燃烧温度T99为210℃,均比传统浸渍法制备的Pd/γ-Al2O3/FeCrAl催化剂低了30℃以上,表现出更好的催化活性。同时化学镀法无需涂覆过渡涂层γ-Al2O3,从而简化了金属基整体式催化剂的制备工艺,而且化学镀法制备的Pd/FeCrAl催化剂中,活性组分在金属基体上的负载的更牢固和更均匀。然后对化学镀法制备Pd/FeCrAl催化剂的工艺条件,特别是样品的镀前处理和镀后热处理过程进行了研究。由FeCrAl基体镀前处理中各步骤所得样品的XRD、SEM和BET分析可知,脱脂处理能使基体获得洁净的表面；去氧化层处理不但能使金属基体表面露出Fe单质,呈现活化状态,还能有效提高基体比表面积；活化处理则能有效缩短自催化化学镀过程的诱导期。因此,脱脂、去氧化层和活化等镀前处理过程实施的好坏,将直接影响镀层与基体的结合强度。另外,由Pd/FeCrAl样品在不同镀后热处理温度下的XRD、SEM、TG-DTA、H2-TPR、O2-TPD分析可知,镀后热处理不仅能有效消除化学镀钯过程中基体和镀层吸附的氢,提高活性组分镀层与金属基体的结合强度,还能促使Pd向PdO转化,最终生成催化燃烧活性组分PdO。而且Pd/FeCrAl样品在空气气氛中进行镀后热处理的温度不能低于700℃。最后对Pd/FeCrAl催化剂在甲苯催化燃烧反应中的催化性能和工艺条件进行了研究。由不同钯负载量的Pd/FeCrAl催化剂的活性评价和XRD、SEM、EDX、O2-TPD等表征分析可知,为获得足够的活性比表面积和催化活性组分PdO,催化剂的钯负载量必须达到1.2％；同时由于化学镀过程是金属钯微晶在FeCrAl金属基体上不断沉积的过程,当钯镀层达到单层均匀分布后,活性比表面积将维持相对稳定状态,此时继续提高钯的负载量对催化性能的提高是有限的,反而会由于多层重叠和团聚造成贵金属钯的浪费。反应空速条件以10000h-1为限,低于此限时,催化剂活性保持稳定,在210℃达到完全燃烧；超过此限后,催化剂活性明显下降。所以Pd/FeCrAl催化剂的甲苯催化燃烧最优空速范围在10000h-1以内。通过100h催化剂稳定性测试可知,化学镀法制备的Pd/FeCrAl催化剂具有较好的稳定性,甲苯转化率能基本保持在92％以上。
　　 本研究采用化学镀法制备的Pd/FeCrAl催化剂在甲苯催化燃烧反应中表现出了良好的低温催化活性和稳定性。同时也说明化学镀法是一种优良的制备金属基整体式催化剂的方法,由该方法制备的催化剂中,活性组分可以在金属基体上更为均匀和牢固的负载。