稀土双钙钛矿型铜系催化剂的制备及其甲烷催化燃烧性能研究

摘要

作为天然气主要成分的甲烷因含碳量低、燃烧时产生的温室气体CO2量少,成为一种较为理想的清洁燃料,但传统火焰燃烧方式存在效率低和污染物排放水平高等问题,催化燃烧是解决这些问题的有效途径,而催化剂是天然气实现催化燃烧的关键。
　　 本论文采用溶胶-凝胶法制备了La2CuBO6(B=Mn、Ni、Co)稀土双钙钛矿型催化剂；并用不同方法制备了La2CuMnO6催化剂,相同条件下与对应的单钙钛矿LaMnO3进行了比较,同时探索了A位Ba不同的取代量对La2CuMnO6的影响。采用XRD、H2-TPR.、BET、SEM、TEM、XPS和磁性测试等表征手段对样品的结构、表面形貌和离子价态等进行了研究,并考察了这些材料的甲烷催化燃烧性能。得到如下结果:
　　 (1)采用溶胶-凝胶法在空气气氛中1100℃焙烧3h后,La2CuBO6(B=Mn、Ni、Co)均形成稳定的单相稀土双钙钛矿化合物,其中La2CuMnO6表现出较好的甲烷催化燃烧活性,T10和T90分别为437.5℃和649.2℃,结合XRD和H2-TPR结果发现,与其晶体结构完善和较低的还原峰温有关。
　　 (2)采用溶胶-凝胶法、非晶态合金法和离子液体法均形成了单相的La2CuMnO6双钙钛矿结构。其中溶胶-凝胶法制备的La2CuMnO6催化剂表面形貌主要呈球形,颗粒相对较小,晶体结构发育完善,氢气还原峰温度较低,甲烷催化燃烧活性最好。
　　 (3)对双钙钛矿型催化剂La2CuMnO6A位进行Ba取代后发现,少量Ba取代可以提高样品的催化活性,其中La1.9Ba0.1CuMnO6的催化活性最好,其T10和T90分别为400.1℃和618.9℃。
　　 (4)在相同条件下将双钙钛矿型催化剂La2CuMnO6与对应的单钙钛矿型催化剂LaMnO3相比,其起燃温度和完全转化温度分别降低了53.1℃和116.5℃。XPS测试结果显示La2CuMnO6氧空位浓度相对较大。此外,两种催化剂的TPR谱、SEM、TEM和磁性结果具有明显的不同,与其甲烷催化燃烧活性有一定的对应关系。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 甲烷燃烧催化剂的研究现状

1.2.1 贵金属催化剂

1.2.2 过渡金属氧化物催化剂

1.2.3 六铝酸盐催化剂

1.2.4 钙钛矿型催化剂

1.3 本论文研究思路与主要内容

第二章 实验部分

2.1 试剂及仪器

2.2 钙钛矿型催化剂的制备

2.2.1 溶胶凝胶法制备La-Cu-B-O(B=Mn、Ni、Co)系列催化剂

2.2.2 非晶态合金法及离子液体法制备La-Cu-Mn-O催化剂

2.2.3 双钙钛矿型催化剂La2-xBaxCuMnO6的制备

2.3 催化剂的活性测试

2.4 催化剂的性质表征

2.4.1 X-射线衍射表征(XRD)

2.4.2 红外光谱测试(FT-IR)

2.4.3 比表面积和孔径的测定(BET)及粒径分析

2.4.4 程序升温还原测定(H2-TPR)

2.4.5 扫描电镜测试(SEM)

2.4.6 透射电镜测试(TEM)

2.4.7 X-光电子能谱测定(XPS)

2.4.8 磁性测定(Magnetism techniques)

第三章 La2CuBO6(B=Mn、Ni、Co)催化剂的制备及其甲烷催化燃烧性能比较研究

3.1 La2CuBO6(B=Mn、Ni、Co)催化剂的制备

3.2 三种催化剂La2CuBO6(B=Mn、Ni、Co)的表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 催化剂的XRD分析

3.3.2 催化剂的甲烷燃烧活性测试

3.3.3 催化剂的比表面及孔结构分析

3.3.4 催化剂的傅里叶红外吸收光谱分析

3.3.5 催化剂的H2-TPR分析

3.3.6 扫描电镜分析

3.3.7 XPS分析

3.3.8 磁性分析

3.4 小结

第四章 制备方法对La2CuMnO6甲烷燃烧催化性能及其物理化学性能的影响

4.1 甲烷燃烧催化剂的制备

4.2 甲烷燃烧催化剂的表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 催化剂的XRD分析

4.3.2 催化剂的甲烷燃烧活性测试

4.3.3 比表面积(BET)及粒径分析

4.3.4 催化剂的FT-IR表征

4.3.5 催化剂的TPR分析

4.3.6 催化剂的扫描电镜分析

4.3.7 催化剂的磁性分析

4.4 小结

第五章 A位Ba取代对La2CuMnO6结构和性能的影响研究

5.1 La2-xBaxCuMnO6(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)催化剂的制备

5.2 甲烷燃烧催化剂的表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 催化剂的XRD分析

5.3.2 催化剂的甲烷燃烧活性测试

5.3.3 比表面积(BET)及粒径分析

5.3.4 催化剂的FT-IR表征

5.3.5 催化剂的TPR分析

5.3.6 扫描电镜分析

5.4 小结

第六章 La2CuMnO6和LaMnO3的甲烷催化性能比较

6.1 La2CuMnO6和LaMnO3两种催化剂的制备

6.2 甲烷燃烧催化剂的表征

6.3 结果与讨论

6.3.1 催化剂的XRD分析

6.3.2 催化剂的甲烷燃烧活性测试

6.3.3 比表面积(BET)及粒径分析

6.3.4 催化剂的FT-IR表征

6.3.5 催化剂的TPR分析

6.3.6 扫描电镜分析(SEM)

6.3.7 透射电镜分析(TEM)

6.3.8 催化剂的XPS图谱分析

6.3.9 催化剂的磁性测试结果及分析

6.4 小结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢