Co3O4催化剂的制备及低浓度甲烷催化燃烧的性能研究

摘要

煤矿乏风（VAW）中φ(CH4)一般低于1％（vol），虽然浓度极低但排放量巨大。目前，低浓度甲烷的有效利用方式是催化燃烧。作为一种低排放且高效率的技术，其关键在于开发出高活性和高稳定性的催化剂。贵金属催化剂虽具有良好的催化活性，但自身的局限性制约了其应用，所以，开发低成本、高活性的催化剂显得尤为必要。尖晶石结构的四氧化三钴（Co3O4）因有较好的催化活性和较低的成本吸引了研究者的兴趣。基于此，本文制备了不同形貌的Co3O4催化剂用于甲烷的催化燃烧。
　　在溶剂热条件下，以F127为表面活性剂，通过对溶液p H值的调控，合成了纳米花状β-Co(OH)2前驱体，经过450℃、5 h煅烧处理后得到了仍然保留纳米花状形貌的Co3O4，研究了该催化剂在不同空速下的催化活性及稳定性。由于得到的纳米花状Co3O4催化剂暴露出{112}晶向且有大量的吸附氧物种，因此，具有非常好的甲烷催化活性。在16000 mL/(g·h)空速条件下，其起燃温度T10%约为254℃，完全转化温度T90%约为408℃，活性明显好于商业的Co3O4催化剂。
　　通过简单的冷凝回流法合成了表面光滑长方柱状结构的β-Co(OH)2和CoC2O4的混合物，经过350℃、2 h焙烧处理后，得到了小颗粒堆积长方柱状形貌的Co3O4催化剂，研究了该催化剂不同空速下的催化活性及稳定性。由于长方柱状Co3O4催化剂具有高的比表面积，丰富的 Co3+物种，并暴露出与(110)晶面平行的(220)晶面，因此，同样也表现出非常好的甲烷催化活性。在16000 mL/(g·h)空速条件下，其T10%约为236℃，T90%约为428℃。另外，在450℃下，经过20 h的稳定性测试，其甲烷转化率仅有略微的下降。
　　以咪唑-4,5-二羧酸为有机配体，六次甲基四胺为沉淀剂，利用溶剂热法合成了棒状 Co3O4纳米晶，并通过引入 Ce得到了一系列Co3O4-CeO2(x)二元氧化物催化剂，考察了添加不同Ce量对低浓度甲烷催化活性及稳定性的影响。研究表明，在16000 mL/(g·h)空速条件下，当C e的添加量在30.8%-44.4%之间时，具有最佳的催化活性， T10%约为264℃，T90%约为450℃，且表现出非常好的稳定性；当C e的添加量低于30.8%或高于44.4%时，催化活性提升幅度相对较小；当Ce的添加量为61.6%时，催化活性与棒状Co3O4纳米晶相当。由此可见，Ce的掺杂量与甲烷转化率呈现火山型变化曲线，并且Ce的加入改善了Co3O4纳米晶催化剂的活性与稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1. 1 甲烷催化燃烧的现状

1. 2过渡金属氧化物催化剂

1.3 Co3O4催化剂

1. 4本课题研究的目的与内容

第二章实验部分

2. 1主要的化学试剂及仪器

2. 2 催化剂的表征方法

2. 3催化剂的催化性能评价

第三章不同形貌Co3O4催化剂的制备及低浓度甲烷催化燃烧的性能研究

3. 1前言

3.2 纳米花状Co3O4催化剂

3.3 长方柱状Co3O4催化剂

3. 4 本章小结

第四章 Ce改性的Co3O4纳米棒催化剂的制备及低浓度甲烷催化燃烧的性能研究

4. 1前言

4. 2 催化剂的制备

4. 3 分析与讨论

4. 4 本章小结

第五章结论与展望

5. 1 主要结论

5. 2 本论文的创新点

5. 3 下阶段工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表学术论文