与不同氧化物复合的La0.8Ca0.2FeO3钙钛矿用于低浓度甲烷的催化燃烧

摘要

甲烷催化燃烧是一种高效率、低污染的能源利用和废气处理技术。LaFeO3钙钛矿(Perovskite)对甲烷催化燃烧的活性和稳定性中等,但价格便宜。本文以Ca掺杂的LaFeO3为研究对象,考察引入不同载体后,对活性和稳定性的影响。制备了一系列钙钛矿催化剂粉末,在程序升温反应仪中用低浓度甲烷(1vol.％)对催化剂粉末进行考评,并用XRD、SEM、BET、H2-TPR对样品进行表征。
　　先用共沉淀法制备了La1-xCaxFeO3(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)钙钛矿本体催化剂,考察Ca掺杂量的影响。证实当x=0.1~0.3时,催化活性相差不大,而x=0.2时活性最好。用共沉淀法、溶胶凝胶法和溶液燃烧合成法制得单一钙钛矿晶型的La0.8Ca0.2FeO3(简称La8Ca2)催化剂。其中共沉淀法制备的催化剂比表面积最大,活性最好;同时发现用乙醇洗涤滤饼,可提高催化剂的比表面积和活性。
　　分别考察了YSZ(钇稳定氧化锆)、GDC(铈钆固溶体)和MgO作为催化剂载体与La8Ca2的相互作用和影响。用沉积-沉淀法制备了La8Ca2/nYSZ、La8Ca2/nGDC和La8Ca2/nMgO(n为载体与La8Ca2的摩尔量之比)系列复合催化剂,考察了YSZ中Y的掺杂量、GDC中Gd的掺杂量、载体含量和焙烧温度对催化剂的影响。研究发现,对于La8Ca2/nYSZ,当Y的掺杂量为7mol.%,n=7时,活性最佳;对于La8Ca2/nGDC,当Gd的掺杂量为15mol.%,n=6时,活性最佳;La8Ca2/4MgO的活性最佳。
　　La8Ca2本体有较高的比表面积和活性,但在900℃以上焙烧,因烧结导致活性变为最差。YSZ、GDC和MgO三种载体均能减少比表面积的损失,保持高温活性,但作用机理不同。YSZ和GDC因含氧空位有助催化功能,且与La8Ca2有相互作用,能成倍提高催化活性。三种载体中,MgO抗烧结能力最强,YSZ热稳定性最差。经900℃焙烧, La8Ca2/7YSZ有游离 Fe2O3存在,其活性最好。La8Ca2/4MgO催化剂中钙钛矿的质量分数较高,其活性与La8Ca2/7YSZ相当。而经1100℃焙烧,La8Ca2/4MgO比表面积最大,活性最佳。
　　La0.8Ca0.2FeO3与MgO复合后的催化剂,活性高,抗烧结能力最强,成本低,最具工业应用潜力。

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第一章 绪论

1.1甲烷催化燃烧技术研究背景

1.2甲烷催化燃烧技术研究进展

1.3课题研究内容与创新

第二章 实验部分

2.1实验材料

2.2实验仪器

2.3催化剂的制备

2.4催化剂的表征

2.5催化剂活性评价

第三章 La0.8Ca0.2FeO3的制备及催化活性研究

3.1 Ca的不同掺杂量对LaFeO3的影响

3.2不同制备方法对La0.8Ca0.2FeO3的影响

3.3本章小结

第四章 与YSZ复合的La0.8Ca0.2FeO3的制备及催化活性研究

4.1 Y的不同掺杂量对La0.8Ca0.2FeO3/7YSZ的影响

4.2乙醇洗涤对La0.8Ca0.2FeO3/7YSZ的影响

4.3YSZ不同含量对La0.8Ca0.2FeO3/nYSZ的影响

4.4焙烧温度对La0.8Ca0.2FeO3/7YSZ的影响

4.5本章小结

第五章 与GDC、MgO复合的La0.8Ca0.2FeO3的制备及催化活性研究

5.1与GDC复合的La0.8Ca0.2FeO3的制备及催化活性研究

5.2与MgO复合的La0.8Ca0.2FeO3的制备及催化活性研究

5.3本章小节

第六章 不同载体对催化剂的影响

6.1比表面积

6.2XRD

6.3SEM

6.4H2-TPR

6.5不同载体对催化剂活性的影响

6.6本章小节

第七章 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文