金负载及铜掺杂CeO2纳米材料制备及其CO催化氧化性能研究

摘要

二氧化铈是一种储量丰富，比较廉价的稀土氧化物，并且它本身具有良好的储放氧能力，Ce3+/Ce4+的快速转化能力使得它具有良好的氧化还原能力，因此在催化领域具有广泛的应用，例如CO氧化以及4-NP还原等。因此，二氧化铈催化活性的进一步提高也成为了科学工作者们亟待解决的问题。在本文中，我们通过在二氧化铈中掺杂过渡金属和负载贵金属的方式来提高二氧化铈的催化活性。我们制备了Au/CeO2纳米棒和纳米束、Au/CeO2纳米小球以及0~15%CuCeO2复合氧化物。并且使用XRD，SEM，TEM，BET，XPS等技术手段对所制备的催化剂进行结构表征，同时我们还测试了这些催化剂在CO氧化或者4-NP还原方面的应用。本论文的主要研究内容如下： 1.Au/CeO2纳米棒和纳米束的制备及CO催化氧化和4-硝基苯酚还原性能研究 通过溶剂热法，以BTC为有机配体设计合成了Ce-BTC MOFs，经过高温煅烧和负载Au的方式，得到Au/CeO2纳米棒和纳米束。并研究其CO催化氧化以及4-NP还原性能。通过4-NP还原性能测试发现Au/CeO2纳米棒的活性要高于Au/CeO2纳米束。其CO催化氧化结果表明，Au/CeO2纳米棒的催化活性（T50=50℃）要高于Au/CeO2纳米束（T50=78℃），并且远高于纯CeO2。这主要是由于Au与CeO2的协同作用，以及Au/CeO2纳米棒的氧空穴含量要比Au/CeO2纳米束高，使得Au/CeO2纳米棒催化剂的催化性能较好。此外Au/CeO2纳米棒在CO氧化中还表现出很高的稳定性，在140℃下循环反应10h，其催化活性基本不变。 2.Au/CeO2纳米小球的制备及其在CO催化氧化中的应用 采用溶剂热法，以3,5-PDC为有机配体设计合成了CePDC MOFs前驱体，经过高温煅烧和负载Au的方法合成了Au/CeO2纳米小球。研究了煅烧时间的不同对CeO2纳米小球结构的影响，并且测试了Au/CeO2纳米小球的CO催化氧化性能。研究发现煅烧5h得到的CeO2作为载体负载Au后，其催化性能最好，这可能归因于CeO2-5h是多孔的空心小球的原因，使得Au/CeO2-5h在40℃时，CO的转化率就达到了50%。 3.Cu掺杂CeO2纳米材料的制备及其在CO催化氧化中的应用 以碳球为模板，采用溶剂热法和高温处理的方法制备了0~15%CuCeO2催化剂，考察了掺杂不同含量的Cu的催化剂对CO氧化的催化影响。研究结果表明随着Cu含量的增加，Cu掺杂的CeO2的催化活性先增加后减少，其中，5%CuCeO2催化剂催化活性最好，CO在140℃完全被氧化，并且5%CuCeO2在高温下还具有良好的稳定性。当在5%CuCeO2上利用浸渍法负载Au纳米颗粒后，Au/5%CuCeO2催化性能进一步提高了，这主要是Au与5%CuCeO2之间的协同作用，共同提高了其催化活性。 本论文基于MOFs和碳球为模板来合成CeO2前驱体的研究思路，设计并合成的Au/CeO2纳米棒和纳米束、0~15%CuCeO2复合氧化物以及Au/CeO2纳米小球，均表现出良好的CO催化氧化性能，为汽车尾气的净化提供了新的思路。

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